發(fā)布時間：2018-06-16 02:43

  本文選題：質(zhì)子化離子液體 + 離子液體/水混合物　； 參考：《江西師范大學》2017年碩士論文

【摘要】：近年來,離子液體因低蒸汽壓、高熱穩(wěn)定性、不可燃、高電導率等獨特的物理化學性質(zhì),備受關注。更為重要的是,研究人員發(fā)現(xiàn)通過改變陰陽離子的結構和組成可以獲得不同功能型的離子液體。此外,少量水的加入也能夠極大地改變離子液體的物理化學性質(zhì),這有利于拓展離子液體的實際應用范圍。無論是純離子液體還是其和水形成的混合物,它們的特殊物理化學性質(zhì)本質(zhì)上取決于陰離子、陽離子以及水分子之間的相互作用,主要包含靜電力、范德華力和氫鍵這三種作用。相比于靜電力和范德華力,氫鍵具有局域性和取向性的雙重特點,使得實驗表征手段往往難于直接觀察氫鍵性質(zhì)。然而,分子動力學模擬能夠幫助人們從分子水平上獲取復雜溶液體系中的結構、動力學以及氫鍵行為的微觀信息,為現(xiàn)有的實驗結果提供深入的解釋。因此,本論文主要是采用分子動力學模擬方法研究純硝酸乙基氨(Ethylammonium nitrate,EAN)質(zhì)子化離子液體及其水溶液混合物中的結構性質(zhì),動力學性質(zhì)及其氫鍵行為。首先,本工作采用分子動力學模擬方法研究了:在300 K到400 K范圍內(nèi),不同溫度對純EAN離子液體的結構性質(zhì)、動力學性質(zhì)以及氫鍵行為的影響。模擬結果表明溫度的變化幾乎對質(zhì)子化EAN離子液體的結構性質(zhì)沒有影響,這預示著溫度的升高并不會改變陰陽離子之間的靜電作用力和范德華力。然而,溫度的升高卻對離子液體的動力學性質(zhì)的影響非常強烈。當溫度從300 K升高至400K時,計算結果發(fā)現(xiàn)陰陽離子之間的氫鍵強度急劇地減弱,從而導致陰陽離子的擴散系數(shù)和轉(zhuǎn)動速率都增大了近一個數(shù)量級。與此同時,本工作還發(fā)現(xiàn)陰陽離子都會表現(xiàn)出很明顯的次擴散行為。相應地,通過計算陰陽離子對的解離動力學性質(zhì)發(fā)現(xiàn)陰陽離子對的解離速率加快了將近1個數(shù)量級,這種獨特的現(xiàn)象主要是由于溫度的升高導致陰陽離子之間的氫鍵強度減弱。然后,本工作將研究體系從純EAN離子液體推廣到更為復雜的EAN/水混合物體系,并采用分子動力模擬方法系統(tǒng)地研究組成對混合體系的結構性質(zhì)、動力學性質(zhì)以及氫鍵行為的影響。總共計算了19個EAN/水混合體系中NH3+-NO3-,NH3+-H_2O,NO3--H_2O和H_2O-H_2O這四種氫鍵的時間相關函數(shù),結果表明這四種氫鍵的強度都是隨著水的濃度的增加而減弱,以及陽離子、陰離子和水分子周圍的氫鍵結構也發(fā)生顯著的變化。與此同時,隨著水的濃度增加,陽離子、陰離子和水分子的擴散速率和轉(zhuǎn)動速率都加快。另一方面,當水的質(zhì)量分數(shù)小于10wt%時,這四種HB強度的順序為NH3+-NO3-NO3--H_2ONH3+-H_2OH_2O-H_2O,而當水的質(zhì)量分數(shù)大于10wt%時,相應的順序為NH3+-NO3-NH3+-H_2ONO3--H_2OH_2O-H_2O。由于NO3--H_2O和NH3+-H_2O的氫鍵在低的和高的水濃度下的相反排列順序,以及陽離子和陰離子周圍的氫鍵結構的變化不同,從而導致陽離子和陰離子與水的擴散系數(shù)的偏差隨著水的濃度增加而越來越大,這非常有利于陽離子和陰離子的離子對分解。此外,離子遷移率和離子濃度之間的競爭效應導致EAN/水混合物的離子電導率最初隨著水的質(zhì)量分數(shù)增加而增加,而當水的質(zhì)量分數(shù)超過70wt%時,離子的電導率又急劇地下降。因此,本研究工作從微觀角度揭示了,在質(zhì)子化離子液體中,陰陽離子之間的氫鍵作用相比于靜電作用和范德華作用有著相同的重要性。同時在分子水平上揭示了EAN/水混合中氫鍵行為隨著組成的變化規(guī)律,并建立了氫鍵行為變化與相關結構和動力學性質(zhì)之間的相互關系,這對實驗科學家研究離子液體及其水混合物中獨特的物理化學性質(zhì)變化有著一定的理論指導意義。
[Abstract]:In recent years, ionic liquids have attracted much attention due to their unique physical and chemical properties, such as low vapor pressure, high thermal stability, non combustible and high conductivity, and more importantly, researchers have found that different functional types of ionic liquids can be obtained by changing the structure and composition of the ions and ions. In addition, the addition of a small amount of water can also greatly change the ions. The physical and chemical properties of liquids are beneficial to the expansion of the practical applications of ionic liquids. Their special physical and chemical properties, whether pure ionic liquids or mixtures of water and water, are essentially dependent on the interaction of anions, cations and water molecules, including three kinds of static electricity, Vander Ed Ley and hydrogen bonds. Compared to the static power and Fan Dehua force, the hydrogen bond has the dual characteristics of local and orientation, which makes the experimental characterization difficult to directly observe the hydrogen bond properties. However, the molecular dynamics simulation can help people obtain the microstructure, dynamics and hydrogen bond behavior in the complex solution system from the molecular level. The existing experimental results provide an in-depth explanation. Therefore, this paper mainly uses molecular dynamics simulation to study the structural properties, kinetic properties and hydrogen bond behavior of pure nitric acid ethyl ammonia (Ethylammonium nitrate, EAN) protonated ionic liquids and their aqueous solutions. First, the molecular dynamics simulation method is used in this work. The effects of different temperatures on the structural properties, kinetic properties and hydrogen bond behavior of pure EAN ionic liquids were investigated in the range of 300 K to 400 K. The simulation results show that the temperature changes almost have no effect on the structural properties of the protonated EAN ionic liquids, which indicates that the temperature rises and does not change the electrostatic effect between the Yin and yang ions. Force and Fan Dehua force. However, the increase of temperature has a strong influence on the kinetic properties of ionic liquids. When the temperature rises from 300 K to 400K, it is found that the hydrogen bond strength between the Yin and yang ions decreases sharply, which leads to the increase of the diffusion coefficient and rotation rate of the Yin and yang ions by nearly one order of magnitude. It is also found that both yin and yang can show obvious secondary diffusion behavior. Accordingly, by calculating the dissociation kinetics of yin and yang ions, it is found that the dissociation rate of yin and yang ions accelerates nearly 1 orders of magnitude. This unique phenomenon is mainly due to the decrease of the hydrogen bond strength between the Yin and yang ions because of the increase of temperature. In this work, the research system is extended from pure EAN ionic liquid to a more complex EAN/ water mixture system, and the molecular dynamic simulation method is used to systematically study the structural properties, dynamic properties and hydrogen bond behavior of the mixed system. A total of 19 EAN/ water mixtures are calculated, NH3+-NO3-, NH3+-H_2O, NO3--H_2O and H. _2O-H_2O the time dependent function of these four hydrogen bonds shows that the strength of the four hydrogen bonds is weakened with the increase of water concentration, and the cation, the hydrogen bond structure around the anion and water molecules also changes significantly. At the same time, the diffusion rate and rotation of the cation, anion and water molecules as the concentration of water increases. On the other hand, when the mass fraction of water is less than 10wt%, the order of these four HB intensities is NH3+-NO3-NO3--H_2ONH3+-H_2OH_2O-H_2O, and when the mass fraction of water is greater than 10wt%, the corresponding order is the hydrogen bond of NO3--H_2O and NH3+-H_2O at low and high water concentrations when the water content is greater than that of the NH3+-H_2O. In the opposite arrangement, the changes in the hydrogen bond structure around the cation and anions are different, which leads to the increase in the diffusion coefficient of cations and anions and water as the concentration of water increases, which is very beneficial to the ion pair decomposition of cations and anions. The ionic conductivity of the EAN/ water mixture should be increased initially with the increase of the water mass fraction, and the conductivity of the ions drops sharply when the water mass fraction exceeds 70wt%. Therefore, this study reveals from the microscopic point of view that in the protonated ionic liquid the hydrogen bond between the negative ions is compared to the electrostatic action and the effect of the hydrogen bond in the protonated ionic liquid. The Fan Dehua action has the same importance. At the same time, the variation of hydrogen bond behavior in the EAN/ water mixture is revealed at the molecular level, and the relationship between the change of hydrogen bond behavior and the related structure and the kinetic properties is established. The experimental scientists study the unique physical and chemical properties of the ionic liquid and its water mixture. The qualitative change has a certain theoretical guiding significance.
【學位授予單位】：江西師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O645.1

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本文編號：2024876