基于分子动力学模拟的水中氧化石墨烯的聚集与吸附研究

发布时间：2020-09-01 07:15

　　 氧化石墨烯由于其独特的性质逐渐受到人们的关注。随着应用的逐渐增多,氧化石墨烯可能会进入到水环境中,因此探究其在水环境中的行为是必要的。聚集是控制氧化石墨烯在水中行为的重要因素之一,因此需探究氧化石墨烯在水中的聚集特性。在水处理功能材料领域,氧化石墨烯也具有很大的潜力:氧化石墨烯具有的π电子网络结构及含氧官能团使其具有吸附芳香化合物的能力,因此可作为去除水中芳香化合物的吸附材料。深入探究氧化氧化石墨烯对芳香化合物的吸附机理将有利于基于氧化石墨烯的水处理材料的开发。分子动力学模拟和量子化学理论计算可提供分子及原子层面的微观信息,因此被用在本文中以深入探究氧化石墨烯在水中的行为。本文首先结合实验和分子动力学模拟探究了氧化石墨烯在水中的宏观及微观的基本性质,并在此基础上探究了氧化石墨烯的聚集及对有机物的吸附特性。在聚集特性研究中,揭示了氧化石墨烯的微观聚集过程及水环境条件(pH、金属离子、天然有机物)与氧化石墨烯结构组成因素(含氧量、氧化石墨烯尺寸、氧化石墨烯厚度)对聚集的影响机理。例如,分子动力学模拟表明随着pH的升高,氧化石墨烯与水形成的氢键较多,与接触角测定结果说明的氧化石墨烯在高pH时亲水性较强相符。径向分布函数分析表明与Na~+相比,Ca~(2+)与氧化石墨烯的相互作用强度较强,解释了Ca~(2+)可更有效的促进氧化石墨烯聚集的原因。此外,模拟了天然有机物对氧化石墨烯的吸附架桥及位阻作用,且发现吸附在氧化石墨烯上后,天然有机物的结构被打开,提高了天然有机物与溶剂及离子的结合能力。通过对氧化石墨烯亲水性、静电作用及与金属离子作用强度贡献的比较,发现在几种含氧官能团中羧基对控制氧化石墨烯在水中的稳定性起到了最重要的作用。氧化石墨烯对有机物的吸附主要从两个方面探究:吸附容量的控制因素及最优吸附点位。吸附等温实验表明,氧化石墨烯对几种芳香化合物的吸附容量为:硝基苯双酚A苯酚水杨酸苯甲酸。为探究控制吸附容量的机理(包括π-π、氢键、范德华力及疏水作用),通过分子动力学模拟及量子化学理论计算了以上几种有机物的π-π作用能力、氢键作用能、极化率及与水的作用强度。结果表明吸附容量主要是由芳香化合物的π-π作用能力决定的;疏水作用、氢键作用、范德华力及静电作用也促进了芳香化合物在氧化石墨烯上的吸附,但对于控制吸附容量没有起到决定性的作用。通过分子动力学模拟捕获了芳香化合物在氧化石墨烯上吸附构型,并发现了多层吸附的两种形式。进一步分析表明,吸附到氧化石墨烯上后,芳香化合物的平移运动被抑制,但是溶剂可接触面积增加,可能会增强芳香化合物的生物可接触性。原子力显微镜及分子动力学模拟结果表明芳香化合物倾向于吸附氧化石墨烯的褶皱及边缘处。边缘吸附主要是由位于氧化石墨烯边缘的苯环具有更强的π-π作用能力及位于边缘的羧基与大部分芳香化合物作用较强决定的。除此之外,水分子的位阻作用及羧基的灵活性也对边缘吸附起到了推动作用。褶皱吸附主要是由褶皱处的原子及电子密度高引起的,此外,结构分析表明褶皱的粗糙结构阻碍了芳香化合物的转移,也促进了褶皱吸附。总之,本文结合计算机模拟和实验在原子分子层面探究了氧化石墨烯在水中的行为特性,也说明了若采用合理的方法,计算机模拟可作为探究纳米材料在水处理相关体系中行为的有力工具。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11
【部分图文】：

不可恢复[9]。 此外，氧化石墨烯具有进入生物体系及食物链的能力[10]。一入食物链，可能会对人体产生危害，氧化石墨烯的毒理特性以及暴露可能与其水环境行为密切相关，因此探究氧化石墨烯在水环境中的行为特性对测其毒性具有重要意义。进入到水环境后（图 1-1），氧化石墨烯的行为将受到水环境条件和环底物质的影响。如 pH 的改变、金属离子的存在及大分子有机物的影响，都变氧化石墨烯在水中的稳定性；氧化石墨烯也可能会沉积在颗粒表面及多质中。氧化石墨烯表面带有羧基、羟基及羰基官能团，这些官能团的存在可与多种物质发生相互作用。研究表明氧化石墨烯与金属离子的交互作用响金属离子本身在水中的迁移特性[11]，此外，氧化石墨烯中的苯环结构及团可使其与水中多种本底有机物发生相互作用，进而改变本底有机物本身性。可见，氧化石墨烯与水中本底纳米污染物（有机物和无机物）的相互可能会影响纳米污染物的行为及氧化石墨烯本身的行为，进而影响氧化石本身及本底污染物的潜在毒性，因此研究石墨烯类物质在水中的行为机制于分析其潜在毒性与控制技术，为水环境生态安全及饮用水水质安全保障基础性依据。

DLVO理论和xDLVO理论

哈尔滨工业大学工学博士学位论文贡献。（3） 氧化石墨烯与有机物的相互作用（i）通过分子动力学模拟和量子化学理论计算揭示氧化石墨烯对芳香化合物的微观吸附过程及稳定吸附构型，并分析吸附行为对氧化石墨烯和芳香化合物性质的影响；通过实验手段测定氧化石墨烯对不同芳香化合物的最大吸附量，并通过分子动力学模拟及量子化学计算解析影响吸附量的主导作用力；（ii）结合分子动力学模拟和量子化学计算，深入解析 pH 对氧化石墨烯吸附芳香有机物的影响机制；（iii）结合原子力显微镜表征和分子动力学模拟揭示芳香化合物在氧化石墨烯上的最优吸附位点，并借助分子动力学模拟及量子化学理论计算揭示其机理，分析控制氧化石墨烯表面最优吸附位点的主导作用力。本论文技术路线如图 1-3 所示：

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 姜雪辉;范伟;霍明昕;杨武;刘仲谋;周欢;;离子组成对氧化石墨烯在饱和多孔介质中迁移行为的影响[J];化工学报;2015年04期

本文编号：2809426