本文關鍵詞：質子化離子液體在單壁碳納米管界面處溶劑化結構及振動光譜的分子模擬研究

  更多相關文章： 單壁碳納米管 離子液體 溶劑化結構 氫鍵 振動光譜 分子動力學模擬

【摘要】：近年來,單壁碳納米管(single-walled carbon nanotubes,SWCNTs)因其獨特的化學,力學,熱學,電學和光學性質受到了廣泛的關注。然而,由于SWCNTs具有疏水的特點且彼此之間存在非常強的范德華相互作用,所以往往需要在傳統(tǒng)溶劑中加入第三方穩(wěn)定劑用于制備穩(wěn)定的SWCNTs分散液。最近,研究人員發(fā)現:在沒有第三方穩(wěn)定劑的條件下,室溫離子液體(room temperature ionic liquids,RTILs)就可以制備出穩(wěn)定的SWCNTs分散。與此同時,人們發(fā)現受限在碳納米管中的離子液體在能源,環(huán)境和催化等領域也有著非常重要的應用前景。這兩方面的實際應用都涉及到一個基本的科學問題:如何理解和掌握離子液體在SWCNTs內外界面處的溶劑化結構。其中,前一種應用主要與SWCNTs外表面處離子液體的溶劑化結構有關,也就是外界面處;而后一種應用則主要涉及到SWCNTs內部受限環(huán)境中結構,也就是內界面處。此外,從分子水平上構建界面處溶劑化結構和對應振動光譜之間的響應關系,有利于實驗化學家通過光譜表征手段解析離子液體在界面處的微觀結構性質。為此,我們提出采用分子動力學模擬方法系統(tǒng)地研究質子化硝酸乙基銨(ethylammonium nitrate,EAN)離子液體在SWCNTs內外界面處的溶劑化結構和振動光譜。首先,我們研究了EAN離子液體在SWCNTs外界面處的溶劑化結構及振動光譜性質。模擬結果表明不同直徑的SWCNTs周圍的陰陽離子都能形成清晰的雙溶劑化層結構。在第一溶劑化層中,陽離子中的CH3基團比NH_3~+基團更靠近碳納米管表面,這主要是因為CH3具有疏溶劑的特點。同時,陰離子傾向于倚靠在碳納米管表面,三個O朝向主體相離子液體。另外,在EAN/SWCNTs界面處,CH3基團中C-H和NH_3~+基團中N-H的不對稱伸縮振動峰的位置相比于主體相并沒有發(fā)生變化。然而,陰離子中的N-O不對稱伸縮振動峰相比于主體相出現了大約10 cm-1的紅移,這主要是因為第一溶劑化層中陰離子與陽離子形成氫鍵的強度增強了。然后,我們研究了EAN離子液體在不同直徑的SWCNTs內部受限環(huán)境中的溶劑化結構及振動光譜性質。模擬結果表明直徑較大的碳納米管中EAN離子液體能夠形成清晰的多層結構,同時碳納米管中心還存在一條陽離子鏈。在直徑為1 nm的SWCNT中,陰陽離子只能形成單層的中空結構。對于碳納米管中受限的陽離子來說,CH3基團更貼近碳納米管的內壁,NH_3~+基團則指向碳納米管的軸心,這主要是因為CH3基團具有疏溶劑的特點。陰離子則傾向于倚靠在碳納米管的表面,三個O朝向碳納米管軸心,這樣有利于與NH_3~+離子形成氫鍵。另外,在直徑為1 nm的SWCNT中,陽離子中CH3的C-H伸縮振動峰相比于主體相出現了16 cm-1的藍移。同時,NH_3~+基團中的N-H伸縮振動峰則劈裂成兩個特征峰,其中一個峰出現在高頻區(qū)。出現藍移現象主要是因為受限的CH3中的C-H鍵有更多的自由空間伸縮,而出現劈裂現象主要是因為超過60%的受限NH_3~+基團有一個孤零的N-H鍵。同樣對于陰離子來說,硝酸根離子中的N-O不對稱伸縮振動峰相比主體相出現了大約24 cm-1左右的紅移,這主要是因為受限的陽離子和陰離子之間形成的氫鍵增強了。綜上,我們的模擬結果不僅從分子水平上表征了質子化EAN離子液體在SWCNTs外表面及其內部受限環(huán)境中的溶劑化結構和振動光譜性質,同時也第一次構建起兩者之間的內在聯系。
【關鍵詞】：單壁碳納米管 離子液體 溶劑化結構 氫鍵 振動光譜 分子動力學模擬
【學位授予單位】：江西師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TB383.1
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 緒論9-24
• 1.1 碳納米管的分類及其結構9-10
• 1.2 離子液體簡介10-11
• 1.3 碳納米管在溶液中分散的實驗研究現狀11-13
• 1.4 分子動力學模擬13-22
• 1.4.1 分子動力學模擬的分子力場函數13-15
• 1.4.2 分子動力學模擬中的系綜15-16
• 1.4.3 分子動力學中的恒溫和恒壓控制方法16-17
• 1.4.4 分子動力學中的運動方程積分算法17-19
• 1.4.5 周期性邊界條件和最小鏡像原則19-20
• 1.4.6 分子動力學中時間步長的選擇20-21
• 1.4.7 分子動力學模擬流程21-22
• 1.5 碳納米管界面處離子液體溶劑化結構的模擬研究現狀22-23
• 1.6 本文的研究目的和研究意義23-24
• 2 單壁碳納米管在硝酸乙基銨離子液體中的溶解研究24-38
• 2.1 引言24-25
• 2.2 模擬細節(jié)25-27
• 2.3 結果與討論27-36
• 2.3.1 溶劑化結構27-33
• 2.3.2 振動光譜33-36
• 2.4 本章小結36-38
• 3 單壁碳納米管內硝酸乙基銨離子液體的受限研究38-50
• 3.1 引言38
• 3.2 模擬細節(jié)38-40
• 3.3 結果與討論40-48
• 3.3.1 結構性質40-43
• 3.3.2 振動光譜43-48
• 3.4 本章小結48-50
• 研究展望50-51
• 參考文獻51-60
• 致謝60-61
• 在讀期間公開發(fā)表論文（著）及科研情況61

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