煤层气在含Al,Si,P和S煤结构模型上吸附的密度泛函理论研究

摘要 Al, Si, P和S掺杂石墨烯(X-Graphene, X-Gr, X=Al, Si, P和S)可用来代表具有结构异性的煤结构模型. 通过自旋极化的密度泛函理论(DFT)方法, 研究了煤层气(Coalbed methane, CBM, 主要成分为CH4, CO2和H2O) 在煤结构模型X-Gr上的吸附, 并讨论了相应的吸附能、吸附平衡距离、Mulliken电荷转移、电荷密度差分图和态密度. 结果表明, 含Al 和Si的煤结构模型对CBM的吸附较强, 而CBM在P和S煤结构模型的吸附为弱的物理吸附. CBM在X-Gr煤结构模型上的吸附作用随着掺杂元素非金属性的增强而减弱, 即Al-Gr > Si-Gr > P-Gr > S-Gr. 煤层气中 CO2 和 H2O 吸附在煤炭表面的能力强于CH4, 可以通过注入 CO2 和 H2O 到煤层中促进 CH4的开采. 此外, 含Al和Si煤结构与煤层气之间较强的相互作用表明其可以作为CH4, CO2和H2O的气体传感器