石墨烯埃米通道离子输运的力学机理研究

发布时间：2020-07-15 18:44

【摘要】：纳米通道物质的筛选及输运因其前沿学术研究意义以及在能源、环境、健康等领域的重要应用前景,近年来受到了科学界、工程界和工业界的广泛关注。随着材料制备技术的不断进步,目前可以做到纳米通道特征尺度准确可控。如石墨烯基二维通道,通道壁面表现为原子级光滑且通道高度可低至埃米量级。其在海水淡化、血液透析、离子电池等领域,具有巨大的应用潜能,并有望实现不同离子输运筛选的主动调控。为了能够早日让石墨烯通道应用于实际生产和生活,不仅需要制备技术及实验研究水平的不断进步,还迫切需求理论研究的不断探索和跟进。本文围绕固/液/离子界面处的分子间力作用机制、二维通道端口效应影响下的离子脱水及埃米通道物质筛选调控机理三个关键力学问题,系统研究了石墨烯埃米通道离子输运的力学机理。首先,研究了水合离子在埃米通道内的输运摩擦行为,给出了阴阳离子迁移率的电荷不对称效应的解释。水合离子在纳通道受限空间内的结构及其动态性质,对于理解广泛的存在于化学和生物学中诸多现象的本质机理至关重要。钾离子和氯离子的迁移率在体相溶液中基本保持一致,但是当它们在埃米通道内输运时,二者迁移率却差别很大。研究表明,这种迁移率差异源于它们各自水合层结构的细微差别,以及与受限空间内双层水平衡后,在通道内不同的相对稳定位置。离子带相反的电荷会引起其周围水分子不同的极性取向,进而调控水合离子与通道壁面的距离和相互摩擦作用。与钾离子相比,水合氯离子在通道内承受更大的摩擦力,因此氯离子的迁移率更小。其次,探讨脱水效应如何阻碍二维埃米通道内的离子电导。长期以来,由于纳米通道系统在理解环境、生物和化学等诸多学科领域方面具有重要的意义,学术界一直对研究离子在纳米通道系统中的输运行为有着浓厚的兴趣。本文利用分子动力学模拟方法,研究了离子在二维通道内的输运行为。这种具有埃米尺度高度的二维通道可以在模拟中精细构造,从而可实现模拟与实验的直接比较。尤其是,这种新的限制条件,能够明确地研究尺寸效应而不用考虑其他的影响机制。当通道尺寸达到材料尺度极限,即埃米尺度,通道端口处的脱水效应会严重影响到离子的电导,甚至可能完全阻止离子进入通道内。本文还使用理论分析方法,将离子进入通道内所克服的能垒与离子水合结构部分脱水过程联系起来。模拟结果进一步验证了该理论方法的有效性。本文研究结果,从埃米尺度探讨离子的渗透输运,也为发展有效的水过滤和脱盐方法提供了参考。最后,细致分析不同尺寸单层石墨烯孔通道对离子筛选分离的调控机理。由于锂离子和钾离子的水合结构性质相近,很难实现高效率的筛选分离。因此,利用分子动力学模拟方法的优势,从离子平均力势、水合结构动态变化等角度分析,并对比分析不同尺寸石墨烯孔对两种离子分离筛选的差异。在此基础上,针对基于聚合物基石墨烯多孔薄膜的硫锂电池,从理论模拟分析的角度探讨石墨烯孔对离子的穿梭抑制效应。研究表明,合适的尺寸大小和结构的单层石墨烯孔通道可有效的、选择性的只允许锂离子通过,而阻止多硫化锂在薄膜间的迁移,最终可达到降低穿梭效应的目的。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O613.71;TB383.1
【图文】：

埃米,通道,暗场图像,石墨

．１石墨烯二维平面通道：（ａ）通道示意图，箭头表示所有实验中使用的流动方向；扫描电子显微镜俯视图像；（ｃ）扫描透射电子显微镜下双层空间高度Ａ）的场图像；（ｄ）通道边缘的高角环形暗场图像。纳米多孔石墨烯（ｅ）和（ｆ）：像差校正透射电子显微镜图像，石墨烯孔的特征半径尺度约为５邋Ａ。逡逑利用石墨烯等二维材料精确构筑的埃米通道，为埃米尺度物质输运新的平台和研宄思路［２９，３Ｇ］。特别需要指出的是，该埃米通道的高度和目前计算机能力可以接受的分子动力学模型尺寸相当，因此实验分子动力学模拟数值在某种意义上可以进行直接比较。从实验方法上通道的加工制备方法己经成熟，这为新型纳米流体器件的设计和开要参考意义，而且该壁面光滑、尺寸精确可控的埃米通道也对埃米输运机理的理解和认知产生重大影响［２７，２８］。逡逑综上所述，在实验室已加工制备出壁面光滑尺寸精确可控的埃米通，深刻理解埃米尺度受限流动机理和界面效应，开展“埃米通道物学机理研究”具有十分重要的基础科学研宄意义和广泛的应用背景。指出的是，该埃米通道的尺寸小于或等于Ｋ＋，邋Ｎａ＋，Ｍｇ２＋，邋Ｃａ２＋，ＣＴ等

氧化石墨,组装法

（ｅ￣ｇ）厚度约为１０邋ｎｍ的样品，分别为低、中和高分辨率的扫描电镜侧视图。逡逑２００７年美国西北大学Ｒｕｏｆｆ团队首次通过定向流组装法制备出新式纸状氧逡逑化石墨烯材料［３９］。如图１．２所示，每片氧化石墨烯之间按几乎相互平行的方式逡逑紧密排列在一起，形成独一无二的层状结构，并表现出较其他膜材料更好的结逡逑３逡逑

氧化石墨,离子输运

ｍ邋ｍ逡逑Ｉ—ｉ逡逑ｅ３５Ｈ５ＳＥＳＳ５５Ｈ逡逑图１．２氧化石墨烯纸的形貌和结构。（ａ？ｄ）氧化石墨烯纸的数字照片：（ａ）厚度约为１邋ｐｍ；邋（ｂ）逡逑折叠的厚度约为５邋ｎｍ的半透膜；（ｃ）折叠的厚度约为２５邋ｎｍ的薄膜；（ｄ）薄膜的拉伸断裂。逡逑（ｅ￣ｇ）厚度约为１０邋ｎｍ的样品，分别为低、中和高分辨率的扫描电镜侧视图。逡逑２００７年美国西北大学Ｒｕｏｆｆ团队首次通过定向流组装法制备出新式纸状氧逡逑化石墨烯材料［３９］。如图１．２所示，每片氧化石墨烯之间按几乎相互平行的方式逡逑紧密排列在一起，形成独一无二的层状结构，并表现出较其他膜材料更好的结逡逑３逡逑

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