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Heteroatom-Doped Nanoporous Carbons for Ethanol/Benzene Separation: Emphasizing the Role of Molecular Clustering Effects

纳米孔 吸附 杂原子 分子动力学 乙醇 氢键 分子 化学 表面改性 密度泛函理论 材料科学 化学工程 物理化学 有机化学 计算化学 戒指(化学) 工程类
作者
Yang Guo,Changqing Su,Hongyu Chen,Lingyun Yu,Ke Zhou,Xiang Xu,Zheng Zeng,Liqing Li
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:125 (42): 23463-23473 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c06929
摘要

Grand canonical Monte Carlo simulations combined with molecular dynamics (MD) simulations and density functional theory calculations are used to study the adsorption and separation potentials of surface-functionalized nanoporous carbons (NPCR, R = /N, /NB, −NH2, and −OH) for ethanol and benzene at 293 K. The surface-functionalized NPCs present a higher ethanol uptake (maximum = 5.61 mmol/g at 0.002 kPa) at a lower pressure range for their remarkable electrostatic affinity and strong electrostatic interaction (hydrogen bonding interaction) with ethanol. The MD simulation shows that surface modification enhances the ethanol molecular clustering effect under a pore occupancy less than 0.6, which further improves the ethanol adsorption performance. There is, however, no direct evidence that surface functionalization can enhance the benzene uptake by NPCs. Specifically, among the surface-functionalized NPCs, NPC/NB exhibits the highest ethanol/benzene selectivity under the entire pressure range (∼3.8 at 0.002 kPa and ∼8.6 at 10 kPa). Furthermore, NPC/NB and NPC/N have a better ethanol/benzene separation performance than NPC-NH2 and NPC-OH. Electrostatic potential analysis shows that heteroatom doping impels the ethanol molecule cluster on surface graphite layers, which inhibits the benzene adsorption capacity of NPC/N and NPC/NB in the process of mixture adsorption. This study provides a possible strategy in the preparation of NPC for the ethanol/benzene mixture adsorptive separation.

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