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Trajectory-Extending Kinetic Monte Carlo Simulations to Evaluate Pure and Gas Mixture Diffusivities through a Dense Polymeric Membrane

蒙特卡罗方法 动力学蒙特卡罗方法 动能 弹道 材料科学 统计物理学 化学 物理 经典力学 数学 统计 天文 生物化学
作者
Subhadeep Dasgupta,K.S. Arun,K. G. Ayappa,Prabal K. Maiti
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:127 (45): 9841-9849 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.3c05661
摘要

With renewed interest in CO2 separations, carbon molecular sieving (CMS) membrane performance evaluation requires diffusion coefficients as inputs to have a reliable estimate of the permeability. An optimal material is desired to have both high selectivity and permeability. Gases diffusing through dense CMS and polymeric membranes experience extended subdiffusive regimes, which hinders reliable extraction of diffusion coefficients from mean squared displacement data. We improve the sampling of the diffusive landscape by implementing the trajectory-extending kinetic Monte Carlo (TEKMC) technique to efficiently extend molecular dynamics (MD) trajectories from ns to μs time scales. The obtained self-diffusion coefficient of pure CO2 in CMS membranes derived from a 6FDA/BPDA-DAM precursor polymer melt is found to linearly increase from 0.8-1.3 × 10-6 cm2 s-1 in the pressure range of 1-20 bar, which supports previous experimental findings. We also extended the TEKMC algorithm to evaluate the mixture diffusivities in binary mixtures to determine the permselectivity of CO2 in CH4 and N2 mixtures. The mixture diffusion coefficient of CO2 ranges from 1.3-7 × 10-6 cm2 s-1 in the binary mixture CO2/CH4, which is significantly higher than the pure gas diffusion coefficient. Robeson plot comparisons show that the permselectivity obtained from pure gas diffusion data is significantly lower than that predicted using mixture diffusivity data. Specifically, in the case of the CO2/N2 mixture, we find that using mixture diffusivities led to permselectivities lying above the Robeson limit highlighting the importance of using mixture diffusivity data for an accurate evaluation of the membrane performance. Combined with gas solubilities obtained from grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulations, our work shows that simulations with the TEKMC method can be used to reliably evaluate the performance of materials for gas separations.

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