功能化石墨烯用于水脱盐的分子动力学模拟研究

摘要

2004年科学家发现了一种具有良好载流子迁移率、优异透光性、强大机械强度、稳定化学性的新型二维碳纳米材料。由于其独特性在生物药学和材料领域展现了潜在应用价值。实验表明带有孔洞的石墨烯片可以用作分离膜，且洞边缘碳原子易被化学修饰得到石墨烯衍生物用于水溶液除杂等。但是，为了能够更好的开发利用石墨烯材料，我们需要从分子角度对石墨烯材料的应用机理进行深入讨论。
　　为了研究了石墨烯衍生物在海水淡化和去除水溶液重金属离子方面的应用及作用机理，本论文采用分子动力学模拟方法对它们进行深入研究，分子模拟在某些方面对实验具有一定的指导作用，同时，还可以在分子层面展现石墨烯材料与溶液离子之间的相互作用情况，这有助于科研工作者对石墨烯材料与溶液中杂质之间的作用机理得到更深入的认识。具体研究内容为以下三部分:
　　(1)利用分子动力学模拟方法研究了纳米多孔石墨烯片被两性聚合物（聚羧基三甲胺乙酯）修饰后用于海水淡化的的过程。从微观角度研究两性聚合物对海水淡化的影响，对比了纳米多孔石墨烯被修饰前后的水分离效果，两性聚合物的分子结构和行为变化，及聚合物与离子之间的相互关系。结果表明聚合物链对通过的离子的阻碍机制为空间位阻和静电吸引，其中空间位阻占主导地位。聚合物链折叠可以减少膜的有效开孔面积，两性聚合物链正负电荷中心可以有效吸附溶液中的钠离子和氯离子，两性聚合物链对于离子来说在反渗透膜中起到“看门人”的作用。
　　(2)通过分子动力学手段研究了铜离子和钠离子透过不同层间距的多层氧化石墨烯的渗透行为。多层氧化石墨烯表现出选择透过性对渗透的离子。我们对铜离子和钠离子在氧化石墨烯层内进行了渗透性对比，在分子水平上分析了金属离子与氧化石墨烯之间的相互作用。结果讨论表明层间距和孔边缘羧基对通过的离子的阻碍机制分别为空间位阻和静电吸引，钠离子受层间距的影响较大，而铜离子在膜内渗透过程中受层间距的影响较大。在渗透过程中铜离子和钠离子受羧基吸引作用聚集在羧基官能团周围，且铜离子的聚集吸附行为更为明显，对于铜离子而言，进入膜内后影响其渗透性的主要因素为静电吸引。
　　(3)本章运用分子动力学模拟了氧化石墨烯和被乙二胺四乙酸(EDTA)改性的氧化石墨烯作为吸附膜，对比了钠、钙和铅离子分别与吸附膜的吸附行为。研究了三种金属离子在设计的吸附膜表面的吸附情况、吸附结构和吸附性差异，发现三种金属离子的吸附作用位点都是羧基，金属离子与羧基间静电势能分析发现氧化石墨烯膜的吸附机理为静电吸附作用，利用均力势等对比了三种金属离子在氧化石墨烯表面吸附和解离能力。结果显示，相对于钠离子和钙离子而言，铅离子与羧基在形成吸附离子对构象克服的水化层能障要小，且形成离子对势能值较大，若解离该离子对跨越的能垒较高，因此铅离子更易与氧化石墨烯羧基结合，表明铅离子对构象更加稳定。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究现状

1．2．1 纳米多孔石墨烯材料膜

1．2．2 氧化石墨烯材料膜

1．3 本论文的研究内容及意义

参考文献

第二章 两性聚合物修饰的纳米多孔石墨烯膜用于海水淡化分子动力学模拟

2．1 前言

2．2 模型和方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 阻盐率

2．3．2 两性离子聚合物链的空间位阻

2．3．3 两性聚合物链的静电效应

2．4 结论

参考文献

第三章 多层氧化石墨烯用于重金属离子除杂的分子动力学模拟

3．1 前言

3．2 模型与方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 渗透性

3．3．2 金属离子在氧化石墨烯层间的分布

3．3．3 金属离子与氧化石墨烯间的静电关系

3．3．4 金属离子动力学性质

3．3．5 二价钙离子和氧化石墨烯间作用关系

3．4 结论

参考文献

第四章 改性氧化石墨烯去除重金属离子的分子动力学模拟

4．1 前言

4．1 模型与方法

4．2 结果与讨论

4．2．1 金属离子在氧化石墨烯表面的分布

4．2．2 离子对构象—金属离子与羧基间

4．2．3 金属离子和氧化石墨烯的作用关系

4．2．4 二价钙和氧化石墨烯间相互作用

4．3 结论

参考文献

5．1 工作总结

5．2 工作展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文