本文關(guān)鍵詞：功能化石墨烯用于水脫鹽的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究　出處：《山東大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：2004年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種具有良好載流子遷移率、優(yōu)異透光性、強(qiáng)大機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定化學(xué)性的新型二維碳納米材料。由于其獨(dú)特性在生物藥學(xué)和材料領(lǐng)域展現(xiàn)了潛在應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)表明帶有孔洞的石墨烯片可以用作分離膜,且洞邊緣碳原子易被化學(xué)修飾得到石墨烯衍生物用于水溶液除雜等。但是,為了能夠更好的開發(fā)利用石墨烯材料,我們需要從分子角度對(duì)石墨烯材料的應(yīng)用機(jī)理進(jìn)行深入討論。為了研究了石墨烯衍生物在海水淡化和去除水溶液重金屬離子方面的應(yīng)用及作用機(jī)理,本論文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)它們進(jìn)行深入研究,分子模擬在某些方面對(duì)實(shí)驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)作用,同時(shí),還可以在分子層面展現(xiàn)石墨烯材料與溶液離子之間的相互作用情況,這有助于科研工作者對(duì)石墨烯材料與溶液中雜質(zhì)之間的作用機(jī)理得到更深入的認(rèn)識(shí)。具體研究?jī)?nèi)容為以下三部分:(1)利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了納米多孔石墨烯片被兩性聚合物(聚羧基三甲胺乙酯)修飾后用于海水淡化的的過程。從微觀角度研究?jī)尚跃酆衔飳?duì)海水淡化的影響,對(duì)比了納米多孔石墨烯被修飾前后的水分離效果,兩性聚合物的分子結(jié)構(gòu)和行為變化,及聚合物與離子之間的相互關(guān)系。結(jié)果表明聚合物鏈對(duì)通過的離子的阻礙機(jī)制為空間位阻和靜電吸引,其中空間位阻占主導(dǎo)地位。聚合物鏈折疊可以減少膜的有效開孔面積,兩性聚合物鏈正負(fù)電荷中心可以有效吸附溶液中的鈉離子和氯離子,兩性聚合物鏈對(duì)于離子來說在反滲透膜中起到"看門人"的作用。(2)通過分子動(dòng)力學(xué)手段研究了銅離子和鈉離子透過不同層間距的多層氧化石墨烯的滲透行為。多層氧化石墨烯表現(xiàn)出選擇透過性對(duì)滲透的離子。我們對(duì)銅離子和鈉離子在氧化石墨烯層內(nèi)進(jìn)行了滲透性對(duì)比,在分子水平上分析了金屬離子與氧化石墨烯之間的相互作用。結(jié)果討論表明層間距和孔邊緣?mèng)然鶎?duì)通過的離子的阻礙機(jī)制分別為空間位阻和靜電吸引,鈉離子受層間距的影響較大,而銅離子在膜內(nèi)滲透過程中受層間距的影響較大。在滲透過程中銅離子和鈉離子受羧基吸引作用聚集在羧基官能團(tuán)周圍,且銅離子的聚集吸附行為更為明顯,對(duì)于銅離子而言,進(jìn)入膜內(nèi)后影響其滲透性的主要因素為靜電吸引。(3)本章運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬了氧化石墨烯和被乙二胺四乙酸(EDTA)改性的氧化石墨烯作為吸附膜,對(duì)比了鈉、鈣和鉛離子分別與吸附膜的吸附行為。研究了三種金屬離子在設(shè)計(jì)的吸附膜表面的吸附情況、吸附結(jié)構(gòu)和吸附性差異,發(fā)現(xiàn)三種金屬離子的吸附作用位點(diǎn)都是羧基,金屬離子與羧基間靜電勢(shì)能分析發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯膜的吸附機(jī)理為靜電吸附作用,利用均力勢(shì)等對(duì)比了三種金屬離子在氧化石墨烯表面吸附和解離能力。結(jié)果顯示,相對(duì)于鈉離子和鈣離子而言,鉛離子與羧基在形成吸附離子對(duì)構(gòu)象克服的水化層能障要小,且形成離子對(duì)勢(shì)能值較大,若解離該離子對(duì)跨越的能壘較高,因此鉛離子更易與氧化石墨烯羧基結(jié)合,表明鉛離子對(duì)構(gòu)象更加穩(wěn)定。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ127.11;TQ028.8

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本文編號(hào)：1309466