受限体系下水的输运

发布时间：2020-11-21 04:34

　　 石墨烯和碳纳米管由于天然具备纳米通道,同时水在其中受到极低的阻力,因此,以石墨烯和碳纳米管为代表的碳基纳米材料成为研究受限体系下水输运的理想材料,在海水淡化、生命科学等领域具有潜在的应用价值。此外,纳米通道的尺寸很小,实验研究难以获得水在其中流动时的详细信息。本论文应用分子动力学模拟对水在纳米通道中的输运进行了研究,主要研究结果如下:(1)在石墨烯纳米通道层间距为0.65nm时,层间水会自发地形成四方冰的结构。系统压强在适当的范围内(15-55MPa),对四方冰的结构几乎没有影响,但是石墨烯与水之间的摩擦系数随着压强的增加而增加。通过对水的结构和壁面与水之间界面的结构进行分析发现,壁面在水分子处的势能分布是影响固液界面摩擦系数的主要原因,势能面越褶皱,固液界面的摩擦系数越大。(2)构建了不同形状的碳纳米通道(石墨烯层间,三角形,正方形,六边形,八边形和圆形的纳米通道),研究了不同构型的纳米通道中水的输运规律。研究结果表明,固液界面的摩擦系数与通道的构型有关。在同一种构型下,固液界面的摩擦系数随着管径的增加而增加。在同一种管径下,通道的形状越接近与圆形,摩擦系数越小。因此,通道的构型是控制通道中水输运的有效方式。通过构型对水输运的分子机制进行研究发现,固液相互作用势能面褶皱程度的改变是导致固液界面摩擦系数改变的主要原因。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P33
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题背景和研究意义
    1.2 纳米受限体系的介绍
        1.2.1 石墨烯与石墨烯夹缝
        1.2.2 碳纳米管
    1.3 一维受限水的输运
    1.4 二维受限水的输运
    1.5 本论文的主要研究内容
第二章 计算理论和模拟方法
    2.1 本章引言
    2.2 分子动力学
        2.2.1 分子动力学模拟基本原理
        2.2.2 分子动力学模拟的积分算法
        2.2.3 分子动力学的时间步长
        2.2.4 原子间的相互作用势
        2.2.5 能量最小化
        2.2.6 边界条件和分子间作用力的计算
        2.2.7 分子动力学模拟的系综
    2.3 Lammps软件的基本介绍
    2.4 本章小结
第三章 压强对四方冰在石墨烯夹缝中输运的影响
    3.1 本章引言
    3.2 模拟方法
        3.2.1 模拟模型
        3.2.2 模拟细节
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 单层水的输运性质
        3.3.2 四方冰的结构性质
        3.3.3 固液界面的势能分布以及固液之间的相互作用能
    3.4 本章小结
第四章 受限体系的构型对水输运的影响
    4.1 本章引言
    4.2 模拟细节
    4.3 结果和讨论
        4.3.1 受限水的输运性质
        4.3.2 水在纳米管通道中的密度分布
        4.3.3 体系的压强的计算
        4.3.4 纳米通道在第一层水分子处的势能分布
    4.4 本章小结
第五章 总结和展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
致谢
作者简介

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 赵梦尧;杨雪平;杨晓宁;;石墨烯狭缝受限孔道中水分子的分子动力学模拟[J];物理化学学报;2015年08期

2 王琪;郑根江;谭永文;;我国海水淡化产业进展[J];水处理技术;2014年01期

本文编号：2892531