Investigating the Validity of the Knudsen Prescription for Diffusivities in a Mesoporous Covalent Organic Framework

化学 热扩散率 努森数 吸附 热力学 丁烷 介孔材料 选择性 扩散 努森扩散 物理化学 有机化学 物理 催化作用
作者
Rajamani Krishna,Jasper M. van Baten
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:50 (11): 7083-7087 被引量:21
标识
DOI:10.1021/ie200277z
摘要

Molecular dynamics (MD) simulations were performed to determine the self-diffusivity (Di,self) and the Maxwell–Stefan diffusivity (Đi) of hydrogen, argon, carbon dioxide, methane, ethane, propane, n-butane, n-pentane, and n-hexane in BTP-COF, which is a covalent organic framework (COF) that has one-dimensional 3.4-nm-sized channels. The MD simulations show that the zero-loading diffusivity (Đi(0)) is consistently lower, by up to a factor of 10, than the Knudsen diffusivity (Di,Kn) values. The ratio Đi(0)/Di,Kn is found to correlate with the isosteric heat of adsorption, which, in turn, is a reflection of the binding energy for adsorption on the pore walls: the stronger the binding energy, the lower the ratio Đi(0)/Di,Kn. The diffusion selectivity, which is defined by the ratio D1,self/D2,self for binary mixtures, was determined to be significantly different from the Knudsen selectivity (M2/M1)1/2, where Mi is the molar mass of species i. For mixtures in which component 2 is more strongly adsorbed than component 1, the expression (D1,self/D2,self)/(M2/M1)1/2 has values in the range of 1–10; the departures from the Knudsen selectivity increased with increasing differences in adsorption strengths of the constituent species. The results of this study have implications in the modeling of diffusion within mesoporous structures, such as MCM-41 and SBA-15.
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