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Hydrogen Isotope Separation in Carbon Nanotubes: Calculation of Coupled Rotational and Translational States at High Densities

碳纳米管 选择性 吸附 纳米管 自由度(物理和化学) 玻尔兹曼常数 线性分子几何学 密度泛函理论 化学 材料科学 分子物理学 化学物理 原子物理学 分子 计算化学 物理 热力学 纳米技术 物理化学 有机化学 催化作用
作者
Giovanni Garberoglio,J. Karl Johnson
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:4 (3): 1703-1715 被引量:50
标识
DOI:10.1021/nn901592x
摘要

The effect of the quantized rotational degrees of freedom of hydrogen on the adsorption and sieving properties in carbon nanotubes is studied using computer simulations. We have developed a highly efficient multiple timestep algorithm for hybrid Monte Carlo sampling of quantized rotor configurations and extended the grand canonical Boltzmann bias method to rigid linear molecules. These new computational tools allow us to calculate accurately the quantum sieving selectivities for cases of extreme two-dimensional confinement as a function of pressure. The para-T2/para-H2 selectivity at 20 K is analyzed as a function of the tube diameter and the density of adsorbed hydrogen. Extraordinarily high selectivities, up to 2.6 x 10(8), are observed in the narrowest nanotube. The quantized nature of the rotational degrees of freedom is found to dramatically affect adsorption and selectivity for hydrogen isotopes adsorbed in very narrow nanotubes. The T2/H2 zero-pressure selectivity increases from 2.4 x 10(4) to 1.7 x 10(8) in the (3,6) nanotube at 20 K when quantum rotations are accounted for. The isotopic selectivity is found to increase with pressure, tending to a constant value at saturation. A simplified mean-field model is used to discuss the origin of this behavior.
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