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Adsorption and diffusion of methane and light gases in 3D nano-porous graphene sponge

甲烷 石墨烯 丙烷 吸附 化学工程 材料科学 选择性 化学 丁烷 无机化学 有机化学 纳米技术 催化作用 工程类
作者
Peng‐Fei Xu,Farzin Rahmani,Yee C. Chiew
出处
期刊:Molecular Simulation [Taylor & Francis]
卷期号:48 (10): 882-890 被引量:6
标识
DOI:10.1080/08927022.2021.2018133
摘要

Advances in graphene assembly has shown that mechanically strong 3D nano-porous graphene sponge (NGS) can potentially be used for gas separation. The objectives of this computational study are to: (i) explore the use of NGS as adsorbent for separating light gases and light hydrocarbons from methane, and (ii) assess the potential of using NGS as a membrane for methane/ethane gas separation. A 3D nano-porous graphene sponge was constructed by reacting graphene flakes in the presence of inert non-reactive particles using Reactive Force Field (ReaxFF) molecular dynamics. We performed grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulation to determine the adsorption capacity of NGS for methane, ethane, propane, butane, carbon dioxide, and nitrogen. In addition, GCMC simulations were performed on methane/ethane, methane/carbon dioxide, and nitrogen/methane gas mixtures to determine the selectivity for these gases on NGS. Our results show that graphene sponge has high selectivity for ethane over methane and methane over nitrogen. In addition, we obtained the diffusion coefficients of methane and ethane in NGS and estimated the perm-selectivity of ethane over methane. Because of its high solubility in graphene sponge, the perm-selectivity of ethane over methane is 4.76, despite its lower diffusion coefficient, suggesting that it could potentially be used as a membrane for separating ethane from methane.
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