در این پایان نامه جذب سطحی گاز هیدروژن روی چهار نوع نانولوله مخروطی تک دیواره کربنی، بور-نیتریدی، سیلیکون-کربنی و سیلیکونی با استفاده از شبیه سازی مونت-کارلوی بندادی بزرگ در سه مرحله جداگانه بررسی شده است. این بررسی در دمای k15/298، محدوده فشاری ( mpa16-0) و نیز در اندازه های طولی ( nm7-3) از نانولوله های مخروطی تک دیواره -کربنی، بور-نیتریدی، سیلیکون-کربنی و سیلیکونی- در پنج زاویه رأس (?300، ?240، ?180، ?120، ?60) و در فواصل بین نانولوله ای (معادل قطر، 01/1 قطر و 2/1 قطر) انجام پذیرفته است. در مرحله اول جذب هیدروژن در یک نانولوله مخروطی مورد بررسی قرار گرفت و تأثیر عواملی مانند فشار گاز هیدروژن، طول، زاویه و نوع نانولوله در میزان جذب بررسی شد. نتیجه بررسی های این مرحله نشان داد که با افزایش فشار، کاهش طول نانولوله و افزایش زاویه رأس مخروط، میزان جذب هیدروژن در نانولوله مخروطی، در هر مترمکعب افزایش می یابد. همچنین نانولوله مخروطی بور-نیتریدی میزان جذب بیشتری را دارد و بعد از آن میزان جذب برای نانولوله های مخروطی به ترتیب عبارتند از: سیلیکون-کربنی> کربنی> سیلیکونی. در مرحله دوم دو نانولوله مخروطی به فاصله nm1 در کنار هم قرار گرفته و تأثیر عوامل فشار گاز هیدروژن، طول، زاویه و نوع نانولوله در میزان جذب هیدروژن بررسی شد. نتایج نشان داد که با کم شدن طول نانولوله، افزایش فشار و زاویه رأس مخروط، میزان جذب نیز افزایش می یابد. ترتیب جذب برای چهارنوع نانولوله مخروطی به ترتیب عبارتند از: نانولوله بور-نیتریدی> سیلیکون-کربنی ? کربنی> سیلیکونی. در مرحله سوم چهار نانولوله با فاصله های معادل قطر، 01/1 قطر و 2/1 قطرِ نانولوله، در کنار هم قرار گرفته و تأثیر عامل فاصله بین نانولوله ها نیز در میزان جذب مورد بررسی قرار گرفت. نتیجه بررسی های این بخش نشان داد که با افزایش فاصله بین نانولوله های مخروطی، میزان جذب در هر مترمکعب کاهش می یابد. با مقایسه نتایج به دست آمده از هر سه مرحله می توان گفت، که انرژی جذب و میزان جذب در هر متر مکعب در هر سه مرحله تغییری نمی کند، اما میزان جذب با واحد درصد وزنی با اضافه شدن تعداد نانولوله ها به میزان کمی افزایش می یابد. همچنین بعد از مشخص شدن اثرهای ساختاری و ترمودینامیکی نانولوله مخروطی در میزان جذب هیدروژن، جهت مشخص شدن مکانیسم جذب، نتایج، با معادلات لانگمویرو لانگمویر-فراندلیچ برازش شده تا معلوم شود که جذب به کدام صورت تک لایه ای یا چندلایه ای در نانولوله مخروطی اتفاق می افتد. نتایج این قسمت نشان می دهند که جذب هیدروژن در نانولوله مخروطی با زاویه رأس ?300، در فشارهای زیر mpa10 به صورت تک لایه محتمل تر اتفاق می افتد، اما با افزایش فشار، جذب به صورت چند لایه اتفاق می افتد. همچنین جذب هیدروژن در نانولوله مخروطی با زاویه رأس ?60، به صورت چندلایه صورت می گیرد. به منظور درک بهتر از میزان جذب پذیری نانولوله های مخروطی، جذب هیدروژن در نانولوله های استوانه ای کربنی، بر-نیتریدی، سیلیکون-کربنی و سیلیکونی نیز محاسبه و نتایج نشان داد که تمایل جذب نانولوله های مخروطی نسبت به هیدروژن از نظر وزنی بیشتر از نانولوله های استوانه ای است.

چهارچوب¬های آلی-فلزی به عنوان دسته¬ی جدیدی از مواد دارای حفره¬های نانومتری شناخته شده¬اند و طی دو دهه¬ی گذشته، توجه زیادی را به سمت خود جلب کرده¬اند. چهارچوب¬های آلی-فلزی به علت دارا بودن مساحت سطح بالا و حجم حفره¬ی بالا، در صنعت به عنوان جاذب، از جایگاه مهمی به¬ویژه برای هیدروژن به عنوان سوخت برخوردار هستند.. در این پایان¬نامه تلاش شده است جذب هیدروژن روی چهارچوب¬های آلی-فلزی بر پایه فلز روی با استفاده از شبیه¬سازی مونت¬کارلوی بندادی بزرگ، در شرایط دمایی و فشاری به نسبت گسترده¬ای مورد مطالعه قرار گیرد. هم چنین تأثیر عوامل مختلف روی میزان جذب هیدروژن مورد بررسی قرار گرفته و تلاش شده است با تغییر برخی از عوامل نظیر عوامل ترمودینامیکی و ساختاری به جذب بهینه¬ی هیدروژن در این ساختارها دست یافت. نتایج نشان¬دهنده¬ی جذب بهینه در دمای k77 و فشار حدود atm 30 روی می¬دهد. شبیه¬سازی جذب نخست در ساختار irmof-1 و سپس در ساختار irmof-18 مورد مطالعه قرار گرفت. اتصال-دهنده¬ی آلی در این ساختار یاد شده تترامتیل بنزن دی کربوکسیلات است. نتایج نشان داد که اتصال چهار گروه متیل به اتصال¬دهنده¬¬ی آلی باعث کاهش حجم حفره و به دنبال آن کاهش ظرفیت جذب نسبت به ساختار irmof-1 شده است. با طراحی ساختارهای تازه¬ای اثر عوامل گوناگون مانند اندازه¬ی حفره و برهم¬کنش الکترونی مورد بررسی قرار گرفت. در بخش بعد، شبیه¬سازی روی ساختارهایی ازجمله irmof-76 و irmof-20 انجام شد تا اثر گروه اتصال دهنده با طول مختلف و ناجوراتم¬ها مورد بررسی قرار گیرد. مشاهده¬ها نشان داد که در فشارهای کم، میزان جذب مطلق با انرژی برهم-کنش، در فشارهای میانی با مساحت سطح و در فشارهای بالا با اندازه¬ی حفره در ارتباط است. گفتنی است عوامل یاد شده درباره¬ی جذب مطلق درست است. درحالی¬که در مورد جذب اضافی در فشارهای میانی، آمیزه¬ای از مساحت سطح و شدت برهم¬کنش موثر خواهد بود. هم¬چنین در این پایان¬نامه، انرژی برهم¬کنش مولکول هیدروژن با بخش¬های مختلف چهارچوب آلی-فلزی با استفاده از نظریه¬ی متابعت چگالی و متابع wb97x-d و با مجموعه¬ی پایه¬ی g*+31-6 مورد مطالعه قرار گرفت و جایگاه¬های مناسب جذب در ساختارهایirmof-1 و irmof-18ارزیابی شد. مطالعات نشان داده است که در ساختار irmof-1کلاستر فلزی جایگاه مطلوبی برای جذب است، زیرا، مولکول هیدروژن برهم¬کنش قوی¬تری را با اتم فلز برقرار می¬کند در مقابل ساختارirmof-18 با دارا بودن گروه اتصال¬دهنده¬ی تترامتیل بنزن دی کربوکسیلات، برهم¬کنش مساعدی را در محدوده¬ی اتصال¬دهنده¬ی آلی فراهم می¬کند.

چکیده زیست توده از جمله منابع تجدیدپذیر انرژی به شمار می آید که توانایی آن را دارد تا در آینده به نیاز جامعه بشری پاسخ دهد. زیست گاز به طور عمده از 70-50% متان، 40-30% کربن دی اکسید و مقادیر کمی از گازهای دیگر تشکیل شده است. ارزش گرمایی زیست گاز مربوط به گاز متان است. حذف کربن دی اکسید و هیدروژن سولفید به میزان قابل توجهی، محتوای انرژی و کیفیت زیست گاز را افزایش می دهد. جذب، ذخیره-سازی و جداسازی ارزان و امن این گازها هنوز به عنوان چالشی مهم باقی مانده است. mof ها دسته ی جدید از جاذب های نانو-متخلخل هستند که به تازگی برای ذخیره سازی و جداسازی گازها و بهره برداری از انرژی و اصلاح محیط زیست مناسب تشخیص داده شده اند. جداسازی گازهای h2s و co2 از ch4 به دلیل اشتعال پذیری متان، هم چنین جداسازی h2s و co2 از یکدیگر و نیز بررسی جذب سطحی هریک از این سه گاز در حالت خالص روی mil-47 از اهداف مهم این پایان نامه است. شبیه سازی gcmc در دمای k 15/298 و فشار atm 30-1/0 برای محاسبه جذب اجزای خالص و مخلوط مورد استفاده قرار گرفت و در هر مورد پس از محاسبه ی جذب مطلق گازها، جذب اضافی نیز برای قیاس با نتایج تجربی گزارش شده، محاسبه شد. حداکثر مقدار جذب ch4 و co2و h2s روی mil-47، به ترتیب mol/kg 6/3 و mol/kg 45/10 و mol/kg 57/12 است. شبیه سازی gcmc برای سه مخلوط ch4/co2 ، ch4/h2s و co2/h2s در 5 کسر مولی مختلف از دو گاز در دمای اتاق و فشار میانی atm 10 انجام شد. مقدار جذب هر یک از گازها در مخلوط و گزینشگری چارچوب نسبت به گازهای موجود در هر مخلوط مورد بررسی قرار گرفت. در مخلوط ch4/co2 با افزایش کسر مولی ch4، مقداری از گاز ch4نیز توسط چارچوب جذب شده و گزینشگری نسبت به co2 در mil-47 کاهش می یابد. در مخلوط ch4/h2s، در کسر مولی 25 و 5 برای h2s، مقدار گزینشگری به ترتیب 7/132 و 63 نسبت به h2s روی mil-47 مشاهده شد. در مخلوط co2/h2s جداسازی بسیار کم و نزدیک به هم است و حداکثر جداسازی این دو گاز روی mil-47 مقدار گزینشگری 8 نسبت به h2s است. در ادامه شبیه سازی md و آنالیز rdf برای مخلوط ها انجام شد. نمودارهای rdf برای مخلوط ها نشان می دهد که جذب، بیش تر در بخش فلزدار mil-47 اتفاق می افتد و اتم های وانادیم و اکسیژن در بخش فلزدار مکان های فعال برای جذب هستند. در اتصال دهنده ی آلی mil-47، اتم کربن متصل به اکسیژن های گروه کربوکسیلات مکان مناسب بعدی برای جذب شناسایی شد. سرانجام، با استفاده از شبیه سازی md میزان نفوذ خودبه خودی هر کدام از گازها در مخلوط های دوتایی در همه کسرمولی ها گزارش می شود. نتایج نشان می دهد که در مخلوط ch4/co2 بیشترین نفوذ خودبه خودی مربوط به گاز co2 با مقدار m2/s 12-10×49/1 در کسر مولیco2 95/0-ch4 05/0 است. هم چنین در مخلوط ch4/h2s بیش ترین نفوذ خودبه خودی مربوط به گاز h2s با مقدار m2/s 10-10×62/2 در کسر مولی h2s 95/0-ch4 05/0 و برای مخلوط co2/h2s بیش ترین نفوذ خودبه خودی به گاز h2s با مقدار m2/s 10-10×31/2 در کسر مولی h2s 95/0-co2 05/0 مربوط است.