氧化石墨烯由于其獨(dú)特的性質(zhì)逐漸受到人們的關(guān)注。隨著應(yīng)用的逐漸增多,氧化石墨烯可能會(huì)進(jìn)入到水環(huán)境中,因此探究其在水環(huán)境中的行為是必要的。聚集是控制氧化石墨烯在水中行為的重要因素之一,因此需探究氧化石墨烯在水中的聚集特性。在水處理功能材料領(lǐng)域,氧化石墨烯也具有很大的潛力:氧化石墨烯具有的π電子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及含氧官能團(tuán)使其具有吸附芳香化合物的能力,因此可作為去除水中芳香化合物的吸附材料。深入探究氧化氧化石墨烯對(duì)芳香化合物的吸附機(jī)理將有利于基于氧化石墨烯的水處理材料的開發(fā)。分子動(dòng)力學(xué)模擬和量子化學(xué)理論計(jì)算可提供分子及原子層面的微觀信息,因此被用在本文中以深入探究氧化石墨烯在水中的行為。本文首先結(jié)合實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬探究了氧化石墨烯在水中的宏觀及微觀的基本性質(zhì),并在此基礎(chǔ)上探究了氧化石墨烯的聚集及對(duì)有機(jī)物的吸附特性。在聚集特性研究中,揭示了氧化石墨烯的微觀聚集過(guò)程及水環(huán)境條件(pH、金屬離子、天然有機(jī)物)與氧化石墨烯結(jié)構(gòu)組成因素(含氧量、氧化石墨烯尺寸、氧化石墨烯厚度)對(duì)聚集的影響機(jī)理。例如,分子動(dòng)力學(xué)模擬表明隨著pH的升高,氧化石墨烯與水形成的氫鍵較多,與接觸角測(cè)定結(jié)果說(shuō)明的氧化石墨烯在高pH時(shí)親水性較強(qiáng)相符。徑向分布函數(shù)分析表明與Na~+相比,Ca~(2+)與氧化石墨烯的相互作用強(qiáng)度較強(qiáng),解釋了Ca~(2+)可更有效的促進(jìn)氧化石墨烯聚集的原因。此外,模擬了天然有機(jī)物對(duì)氧化石墨烯的吸附架橋及位阻作用,且發(fā)現(xiàn)吸附在氧化石墨烯上后,天然有機(jī)物的結(jié)構(gòu)被打開,提高了天然有機(jī)物與溶劑及離子的結(jié)合能力。通過(guò)對(duì)氧化石墨烯親水性、靜電作用及與金屬離子作用強(qiáng)度貢獻(xiàn)的比較,發(fā)現(xiàn)在幾種含氧官能團(tuán)中羧基對(duì)控制氧化石墨烯在水中的穩(wěn)定性起到了最重要的作用。氧化石墨烯對(duì)有機(jī)物的吸附主要從兩個(gè)方面探究:吸附容量的控制因素及最優(yōu)吸附點(diǎn)位。吸附等溫實(shí)驗(yàn)表明,氧化石墨烯對(duì)幾種芳香化合物的吸附容量為:硝基苯雙酚A苯酚水楊酸苯甲酸。為探究控制吸附容量的機(jī)理(包括π-π、氫鍵、范德華力及疏水作用),通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬及量子化學(xué)理論計(jì)算了以上幾種有機(jī)物的π-π作用能力、氫鍵作用能、極化率及與水的作用強(qiáng)度。結(jié)果表明吸附容量主要是由芳香化合物的π-π作用能力決定的;疏水作用、氫鍵作用、范德華力及靜電作用也促進(jìn)了芳香化合物在氧化石墨烯上的吸附,但對(duì)于控制吸附容量沒(méi)有起到?jīng)Q定性的作用。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬捕獲了芳香化合物在氧化石墨烯上吸附構(gòu)型,并發(fā)現(xiàn)了多層吸附的兩種形式。進(jìn)一步分析表明,吸附到氧化石墨烯上后,芳香化合物的平移運(yùn)動(dòng)被抑制,但是溶劑可接觸面積增加,可能會(huì)增強(qiáng)芳香化合物的生物可接觸性。原子力顯微鏡及分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明芳香化合物傾向于吸附氧化石墨烯的褶皺及邊緣處。邊緣吸附主要是由位于氧化石墨烯邊緣的苯環(huán)具有更強(qiáng)的π-π作用能力及位于邊緣的羧基與大部分芳香化合物作用較強(qiáng)決定的。除此之外,水分子的位阻作用及羧基的靈活性也對(duì)邊緣吸附起到了推動(dòng)作用。褶皺吸附主要是由褶皺處的原子及電子密度高引起的,此外,結(jié)構(gòu)分析表明褶皺的粗糙結(jié)構(gòu)阻礙了芳香化合物的轉(zhuǎn)移,也促進(jìn)了褶皺吸附�？傊�,本文結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)在原子分子層面探究了氧化石墨烯在水中的行為特性,也說(shuō)明了若采用合理的方法,計(jì)算機(jī)模擬可作為探究納米材料在水處理相關(guān)體系中行為的有力工具。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11
【部分圖文】：

不可恢復(fù)[9]。 此外，氧化石墨烯具有進(jìn)入生物體系及食物鏈的能力[10]。一入食物鏈，可能會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，氧化石墨烯的毒理特性以及暴露可能與其水環(huán)境行為密切相關(guān)，因此探究氧化石墨烯在水環(huán)境中的行為特性對(duì)測(cè)其毒性具有重要意義。進(jìn)入到水環(huán)境后（圖 1-1），氧化石墨烯的行為將受到水環(huán)境條件和環(huán)底物質(zhì)的影響。如 pH 的改變、金屬離子的存在及大分子有機(jī)物的影響，都變氧化石墨烯在水中的穩(wěn)定性；氧化石墨烯也可能會(huì)沉積在顆粒表面及多質(zhì)中。氧化石墨烯表面帶有羧基、羥基及羰基官能團(tuán)，這些官能團(tuán)的存在可與多種物質(zhì)發(fā)生相互作用。研究表明氧化石墨烯與金屬離子的交互作用響金屬離子本身在水中的遷移特性[11]，此外，氧化石墨烯中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)及團(tuán)可使其與水中多種本底有機(jī)物發(fā)生相互作用，進(jìn)而改變本底有機(jī)物本身性�？梢�，氧化石墨烯與水中本底納米污染物（有機(jī)物和無(wú)機(jī)物）的相互可能會(huì)影響納米污染物的行為及氧化石墨烯本身的行為，進(jìn)而影響氧化石本身及本底污染物的潛在毒性，因此研究石墨烯類物質(zhì)在水中的行為機(jī)制于分析其潛在毒性與控制技術(shù)，為水環(huán)境生態(tài)安全及飲用水水質(zhì)安全保障基礎(chǔ)性依據(jù)。

DLVO理論和xDLVO理論

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文貢獻(xiàn)。（3） 氧化石墨烯與有機(jī)物的相互作用（i）通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和量子化學(xué)理論計(jì)算揭示氧化石墨烯對(duì)芳香化合物的微觀吸附過(guò)程及穩(wěn)定吸附構(gòu)型，并分析吸附行為對(duì)氧化石墨烯和芳香化合物性質(zhì)的影響；通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段測(cè)定氧化石墨烯對(duì)不同芳香化合物的最大吸附量，并通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬及量子化學(xué)計(jì)算解析影響吸附量的主導(dǎo)作用力；（ii）結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬和量子化學(xué)計(jì)算，深入解析 pH 對(duì)氧化石墨烯吸附芳香有機(jī)物的影響機(jī)制；（iii）結(jié)合原子力顯微鏡表征和分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示芳香化合物在氧化石墨烯上的最優(yōu)吸附位點(diǎn)，并借助分子動(dòng)力學(xué)模擬及量子化學(xué)理論計(jì)算揭示其機(jī)理，分析控制氧化石墨烯表面最優(yōu)吸附位點(diǎn)的主導(dǎo)作用力。本論文技術(shù)路線如圖 1-3 所示：

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 姜雪輝;范偉;霍明昕;楊武;劉仲謀;周歡;;離子組成對(duì)氧化石墨烯在飽和多孔介質(zhì)中遷移行為的影響[J];化工學(xué)報(bào);2015年04期

本文編號(hào)：2809426