水分子在碳纳米管上扩散的分子动力学模拟

发布时间：2020-10-22 05:11

　　 水分子在碳纳米管上的快速输运特性,引起业界相当的重视。经实验表明,碳纳米薄膜对水有很高的渗透性,如水分子在管径为1.3~2nm碳纳米管上的渗透性比用流体力学泊肃叶公式预测要大几千倍,而在7nm管径的碳纳米管膜上更是测出高于流体力学理论预测值的4-5个数量级。分子在碳纳米管上之所以有如此高的扩散系数,一般认为原因归结于碳纳米管有非常光滑的内壁以及分子在管壁上的碰撞以镜面反射为主,而不是通常情况下的漫反射反弹。分子动力学模拟给出稀薄简单分子(如Ar,N_2,CH_4等)在亚纳米碳纳米管上(如(10,10)Armchair型)的自扩散系数约为标准状态下的气体的自扩散系数,比按照Knudsen公式预测的管道中扩散系数大100倍。定性上,模拟与Holt等人的实验预测结果一致,说明分子动力学模拟对碳纳米管中简单气体分子的扩散能给出大致正确的描述。然而水分子在纳米级疏水碳管中的扩散行为有截然不同的物理机理。由于水分子之间存在强烈的氢键,使得水分子形成不同结构的水链,分子是以团簇一起整体而进行扩散的,这也是理论模拟出现的困难之处。据作者所知,目前还没有理论给出纳米管中水分子扩散的满意的描述,也由于后面将讨论的原因,分子模拟也没能对水给出和实验上量级一致的高的扩散系数。和传统思路不同,本文提供了一种新方法,绕开自扩散系数的计算,直接模拟计算碳纳米管中水的输运扩散系数。模拟结果表明计算的输运扩散系数大小与实验测试的结果量级一致。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O613.71;TB383.1
【部分图文】：

Zigzag型（a）和Armchair型（b）的结构

传统的制备方法有其中有电弧放电法、激光烧蚀法、)、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反管的过程中存在各种各样的问题，例如使用电弧放电法离存在困难，催化裂解法制造的碳纳米管由于结晶缺陷影响，离子或激光蒸发法的制造设备复杂，投资成本高艺相比，制造出的碳米管基本不需要纯化，制造成本低热法，火焰法，超临界流体技术，水中电弧发，太阳能条件下，Yamamoto 等人通过氩离子束对非晶碳进行辐zatonskii 制备了排列整齐的碳纳米管，使用的方法是将墨。Feldman 也制备了直径大约为 30-50nm 是多臂碳纳方法[12]。

照与距离成反比的关系影响着周围分子，这种件，可以理解成为是以局部的性质推断分析出无限复制的一个盒子，这个盒子里里含有 I 个子可以相互作用，这样么个粒子都在系统内部，体系可看做有一个个盒子组成，那么在任意的盒子的大小，如图中虚线表示，则在任何一 ijntotijUuL ,,rn21性边界的边长（为便利假定为立方形），n是当n 0时，i j的项应当排除。
【参考文献】

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本文编号：2851142