功能化石墨烯纳米孔的离子选择性与离子缔合结构特征以及微观机制

摘要

盐湖卤水中的锂资源在新能源的发展中具有十分重要的地位。但盐湖和海水中具有很多共存离子，在提取锂的过程中共存离子不可避免会产生影响。同时由于Mg2+与Li+具有相似的离子半径和水合半径，这严重干扰了Li+的分离与提纯，特别是高镁锂比盐湖中锂资源的分离和提纯。因此，如何有效地从高Mg/Li比卤水中进行镁锂分离和提取是我国新能源产业的战略性问题。基于石墨烯的仿生人工离子渗析膜的开发是目前离子分离、海水淡化领域方面的研究热点。亚纳米尺寸离子通道的选择性主要源于离子脱水性质和功能基团电子性质的影响，但是其在选择性离子输运方面的耦合效应一直难以捉摸。水相中共存离子对选择性离子传输的影响也有待系统深入的研究。本文系统地研究了孔隙大小、共存离子、功能基团、电场大小等因素对石墨烯孔隙离子选择性的影响，以及离子水合特征与缔合性质对Li+选择性的影响，还研究了高配位氯化物稳定性的水合特征。具体内容如下：　　采用分子动力学模拟研究了羧基功能化石墨烯纳米孔的离子选择性与微观机制。研究结果显示，对于4COOˉ、6COOˉ功能化石墨烯纳米孔，在电场为0.9~1.3V/nm、孔径大约在18?以下时，石墨烯纳米孔呈现Li+的选择性。在较弱电场或很高电场条件下，离子通过纳米孔时均呈现出Mg2+选择性。另外，6COOˉ功能化石墨烯纳米孔展现出更好的Li+的选择性。虽然没有羧基功能化的石墨烯纳米孔也呈现出Li+的选择性，但是离子选择性明显不如羧基功能化的石墨烯纳米孔。　　结合水合特征与缔合分析，本文研究了影响离子选择性的微观因素。研究结果显示，羧基功能化石墨烯纳米孔呈现Li+的选择性，主要原因是在一定电场强度下，Mg2+与Cl-间形成较稳定的缔合团簇，影响了Mg2+的迁移。在较弱电场下，离子通过纳米孔时会呈现出Mg2+选择性，可能是因为在低电场条件下离子缔合因素不太明显，Mg2+受到的电场驱动力更强。在强电场下通过纳米孔的离子也呈现出Mg2+选择性，这可能是由于阴阳离子受强电场的驱动向相反方向迁移，阴阳离子之间的静电力已不足以使阴阳离子约束在一起，不易形成较稳定的缔合结构。电场太高还会影响离子迁移效率，这主要是由于在强电场作用下，一些高速迁移离子易被“吸附”在石墨烯表面。与无石墨烯纳米孔的MgCl2-LiCl盐水体系相比，石墨烯纳米孔的脱水作用和对离子迁移的微观约束条件增强了Mg2+与Cl-间的缔合作用。　　采用分子动力学模拟，我们也研究了高浓度MgCl2-LiCl盐水体系、高镁锂比MgCl2-LiCl盐水体系中石墨烯纳米孔的离子选择性。研究结果显示，高浓度MgCl2-LiCl盐水体系中离子缔合作用很强，离子团簇易堵塞纳米孔隙，因而离子迁移效率不高。对于高镁锂比MgCl2-LiCl盐水体系，在电场为0.9~1.3V/nm范围时，虽然通过纳米孔隙的高镁锂比仍明显高于1.0，但是已显著低于初始的高镁锂比，因此羧基纳米孔隙在一定电场强度下会抑制Mg2+的迁移。　　为了更进一步地探究溶液中高配位氯化物的稳定性与微观因素，我们采用分子动力学模拟方法对高配位氯化物[CuCl4]2-和[ZnCl4]2-团簇的水合层特征与水合动力学进行了系统研究。研究结果表明，[CuCl4]2-和[ZnCl4]2-高配位氯化物的内水合壳层没有发现第二和第三水合壳层的重叠，这种水合现象和[CaClx]2-x(x=4~6)配合物是不同的。我们的结果表明[CuCl4]2-和[ZnCl4]2-存在于稀溶液中归因于其第二水合壳层的水合动力学。水分子和[CuCl4]2-与[ZnCl4]2-高配位氯化物之间的水合氢键动力学旋转可以延长水分子在第二壳层的居留时间，从而促进溶液中[CuCl4]2-与[ZnCl4]2-配位物种的稳定性。第二壳层水分子在壳层内的旋转动力学会导致[CuCl4]2-与[ZnCl4]2-配合物与溶液本体相之间的相对分离。与水合Cu2+相比，[CuCl4]2-团簇的快速迁移也进一步表明水合[CuCl4]2-团簇和溶液体相的相互作用力是相对较弱的。　　论文研究结果显示特定离子团簇的稳定性可因其水合壳层或是溶剂壳层的动力学特征而增强，一定电场条件下在限域空间内的离子缔合作用的增强会影响离子迁移，基于此可以设计特定的离子电渗析膜。论文研究结果为石墨烯孔隙材料的离子分离提供了理论参考。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1镁锂离子分离的研究现状

1.2功能化石墨烯纳米孔的研究现状

1.3功能化石墨烯纳米孔对于离子的选择性

1.4 本文的研究思路及研究内容

第 2 章 理论基础和计算方法

2.1 密度泛函理论

2.2 经典分子动力学模拟

2.2.1 基本原理

2.2.2 系综介绍

2.2.3 径向分布函数

2.3 Car 和 Parrinello 分子动力学模拟

第 3 章 功能化石墨烯纳米孔对于镁锂离子的选择性

3.1 引言

3.2 计算方法

3.2.1 构建体系

3.2.2 模拟细节

3.3 结果与讨论

3.3.1 4COOˉ功能化石墨烯纳米孔的离子选择性

3.3.2 5COOˉ功能化石墨烯纳米孔的离子选择性

3.3.3 6COOˉ功能化石墨烯纳米孔的离子选择性

3.3.4 4COOˉ，5COOˉ和 6COOˉ功能化石墨烯纳米孔的比较

3.3.5 无羧基功能化石墨烯纳米孔的离子选择性

3.3.6 单组份和双组分溶液体系的 Mg2+/Li+离子分离

3.3.7力场参数对于Mg2+/Li+离子分离的影响

3.3.8高浓度和高镁锂比体系的镁锂离子分离

3.4 本章小结

第 4 章 在稀溶液体系中高配位氯化物与水合特征

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 结果与讨论