分子在纳米微孔材料中扩散行为的分子动力学模拟研究

摘要

沸石分子筛和碳纳米管是两类重要的多孔材料。沸石分子筛由于其孔道结构有序而均匀，比表面积大，在气体储存、分离净化等领域具有广泛的应用前景；碳纳米管作为结构简单、刚性且光滑的疏水性一维通道，显示出了奇特的分子输运行为。实验表明，水分子在碳纳米管中的扩散系数比理论预测的大几个数量级，水分子在碳纳米管中快速输运的特性在理论研究和生物领域都具有重要的意义。
　　理论研究，尤其是分子动力学模拟研究，有助于了解实验技术水平无法观测到的分子在微孔材料上的扩散机制，对纳米微孔材料的工业应用也有一定的指导意义。现今，关于分子扩散的论文不计其数，但是譬如像水分子在碳纳米管上快速扩散的原因的研究还是非常有限。
　　基于以上分析，本文开展了以下两方面的工作：
　　首先，模拟了几种简单气体在二维分子筛ITQ-3中的扩散，分别考察了Y、Z两个方向上扩散系数随吸附量之间的关系，得出分子筛的各向异性结构导致分子扩散也呈现各向异性。在窄孔径的Z方向上，分子从一个空腔到相邻空腔的迁徙需要克服一个较大的势垒能，扩散系数随负载量的增加先逐渐增大，而后逐渐减小；在宽孔径的Y方向，负载量过大时会出现堵塞效应，扩散系数随负载量的增加而作单调减小。沿Z轴方向扩散势能曲线的计算说明出现这两种截然不同扩散模式的机理，即扩散系数随负载量的增加是通过降低扩散活化能实现的。
　　模拟水分子在碳纳米管中的扩散，分别考察了扩散系数随碳纳米管管径和负载量的变化关系。通过分析水分子的均方位移曲线，发现水分子在管中的扩散近似于弹道扩散；计算扩散系数，得出受限水的扩散系数远远大于体相水，这和已有的实验一致，且计算得到的结果与Knudsen扩散模型相吻合；通过观察水分子在碳纳米管中的构型发现管径影响水分子的分布。随着管径的增大，水分子由于管内空间的增大而导致受限效应减弱，其分子的取向已完全呈随机分布。水分子逐渐体现出类似体相水的团族结构。

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第一章 文献综述

1.1纳米孔道材料简介

1.2研究背景

1.3本文主要工作

第二章 分子动力学方法介绍

2.1分子动力学发展的历史

2.2分子动力学模拟的基础

2.3分子动力学模拟的基本原理

2.4分子动力学模拟的关键技术

2.5本文使用的模拟软件介绍

第三章 感兴趣物理量的提取

3.1结构性质

3.2传递性质

第四章 简单气体分子在ITQ-3分子筛中扩散性质的分

4.1前言

4.2分子、分子筛模型结构参数

4.3扩散过程的模拟

4.4模拟结果与分析

4.5小结

第五章 水分子在碳纳米管中扩散行为的分子动力学模拟

5.1前言

5.2模拟细节

5.3模拟结果与分析

5.4小结

第六章 全文总结与展望

参考文献

致谢