应用密度泛函理论从物理吸附等温线中提取信息的简史
在20世纪80年代,在非均匀系统中流体行为的理论理解方面取得了相当大的进展。特别感兴趣的是受壁面、毛细血管和缝隙的存在限制的流体中的相变化。Tarazona, Marconi和Evans在1987年2月发表了一篇论文,这篇论文后来在定义密度泛函理论(DFT)在吸附等温线上的应用方面起了重要作用(1)题为流体界面和受限流体的相平衡-非局部与局部密度函数.
1989年,Seaton、Walton和Quirke(2)首先描述了一种实用的方法,用平均场密度泛函理论计算的模型等温线可以从氮等温线确定孔径分布。然而,他们的方法采用了一个特定分布函数的假设。
Micromeritics仪器公司的研究人员认识到假定分布形状的缺点。我们认为,要使DFT被广泛接受为一种降低吸附等温线的一般方法,它需要独立于任何假定的分布模型。
由詹姆斯·p·奥利维尔领导,威廉·b·康克林协助(3)成功地开发了一种确定材料中孔径分布的方法,该方法适用于吸附分子可获得的整个孔径范围,且不考虑孔径分布的功能形式。通过使用一组由DFT计算的与孔隙形状相关的模型等温线对等温线数据进行数值反褶积来实现概化,该模型中的每个成员都代表了一个独特的、狭窄的孔隙尺寸范围,而整个模型涵盖了广泛的尺寸范围。
因此,在1991年,Micromeritics成为第一家提出使用DFT作为从物理吸附等温线提取孔隙度信息的通用方法的商业仪器制造商。演讲的题目是用约束态理论从物理吸附数据表征多孔固体并由Olivier和Conklin在法国Compiegne举行的第七届表面和胶体科学国际会议上发表。在这项工作中,吸附等温线是用一种改进的平均场密度梯度理论来模拟表面附近和狭窄孔隙内的相变。
值得注意的是,到目前为止,在DFT应用于吸附等温线的发展过程中,无论是Seaton等人的原始工作,还是Olivier和Conklin随后的工作,都使用了简单的局部密度近似(LDA)来计算预测的等温线。拉斯托斯基,格宾斯和夸克(4、5)认识到LDA方法的粗糙性,随后通过使用Tarazona描述的精炼光滑密度近似(SDA)扩展了Seaton的原始工作。自1993年出版以来,焦点转向非局域密度近似。
奥利弗和康克林(6)1992年,在波兰Kazimier Dolny举行的“表面不均一性在吸附和催化对固体的影响”国际研讨会上,他们也在探索使用SDA方法,并展示了他们的发现。奥利维尔的论文题目是用多孔固体吸附和冷凝的密度泛函理论模型测定孔径分布。
Micromeritics关于DFT的下一份出版物是Olivier、Conklin和Szombathly(7)题为用密度泛函理论测定孔径分布:氮气和氩气结果的比较。该文件已于1993年在第三次cop会议上提出。利用非负最小二乘(NNLS)技术和非线性约束正则化技术,通过模型和实验数据的反褶积得到的孔径分布曲线,展示了比表面积和孔隙体积的分布。
此时,DFT开始被认为是从物理吸附等温线中提取可靠信息的重要手段。1993年,Micromeritics开始提供“DFT Version 1.00”数据压缩包,并配有ASAP 2000系列物理吸附分析仪,这些仪器能够从微孔到介孔区域收集高分辨率数据。本文的末尾包含了DFT 1.00版本说明书的Forward部分的副本。
在这些开创性的工作完成之后的15年多时间里,Micromeritics一直活跃于DFT模型和应用的进一步发展。2008年,由于聘用了另一位早期DFT开发贡献者Jacek Jagiello,公司在该领域的实力得到了增强。重点一直是并将继续是开发实际的、有效的和有用的应用,利用DFT从吸附等温线中提取信息。
工具书类
1)流体界面和受限流体的相平衡-非局部与局部密度泛函塔拉索娜、马可尼和埃文斯;《分子物理学》,第60卷,第3期,1987年2月,573 - 595页
2)用氮气吸附法测定多孔碳的孔径分布西顿、沃尔顿和奎克;《碳》,第27卷,第6期,第853-8611989页
3)物理吸附数据的约束态理论表征多孔固体奥利维尔·康克林;发表于第7届表面和胶体科学国际会议,Compiegne,法国,1991年
4)微孔炭的孔径分布分析:密度泛函理论方法拉斯托斯基、格宾斯和夸克;期刊。化学,1993,97,4786-4796
5)孔径非均质性与碳缝孔隙:密度泛函理论模型拉斯托斯基、格宾斯和夸克;朗缪尔1993,9,第2693-2702页
6)用密度泛函理论模型测定多孔固体吸附和冷凝的孔径分布奥利维尔和康克林;在固体吸附和催化中表面不均匀性影响国际研讨会上发表;卡齐米尔·多尔尼,波兰,1992年7月。
7)用密度泛函理论测定孔径分布:氮气和氩气结果的比较。多孔固体的表征;奥利维尔、康克林和索姆巴斯利;IUPAC专题讨论会论文集(cop III);爱思唯尔出版社:法国马赛,1993年。
