發(fā)布時間：2019-05-03 18:25

【摘要】：在科學技術(shù)和計算機發(fā)展迅速的21世紀,分子模擬在各科學領(lǐng)域所發(fā)揮的作用越來越大,利用分子模擬可以對實驗過程進行準確的模擬,并對實驗結(jié)果進行有效的預測和補充。本論文采用分子動力學模擬(MD)方法,針對甲烷水合物的合成機理及石墨烯的表面潤濕性,開展了一系列的理論計算研究,論文主要包括兩個研究內(nèi)容:一是甲烷水合物的生長及抑制機理的分子動力學模擬;二是水在石墨烯表面的潤濕性質(zhì)的分子動力學模擬。在論文的第一部分中,我們運用分子動力學模擬對甲烷水合物的生長過程進行了模擬探究,模擬過程中,主要考慮兩個因素的影響:一是甲烷的濃度,二是考慮海水中常見的離子如Na+、Mg2+和Cl-。構(gòu)建模擬所需的五個初始結(jié)構(gòu),每一個結(jié)構(gòu)模型的混合相中含有不同濃度的甲烷分子,水分子采用的是TIP4P-EW模型,甲烷分子采用OPLS-AA模型,而為了描述水分子和甲烷分子之間的相互作用,我們引入了Lennard-Jones 12-6勢。為了得到合理的結(jié)果,對于每一個初始模型,整個模擬過程分別在特定的溫度276.0 K和不同的壓強(15.0,25.0,35.0,45.0 MPa)條件下進行,得到各自的軌跡文件。在對軌跡文件進行分析時,固液界面起到了很重要的作用,論文中用角度序參數(shù)來確定界面的位置,根據(jù)界面位置的變化可以知道水合物厚度隨時間的變化,得出結(jié)論:當體系中混合物相甲烷的摩爾濃度與結(jié)構(gòu)I型水合物中甲烷的摩爾濃度接近時,水合物的生成速率最大。由于水合物實際存在的環(huán)境大多是海水中,而海水中含有大量的離子,在此我們對有離子存在時甲烷水合物的生長過程進行簡單地模擬。依據(jù)海水中幾種主要離子的質(zhì)量分數(shù),我們在之前的初始模型中加入鈉離子、鎂離子和氯離子,然后按照上述過程進行模擬,對結(jié)果進行分析,可以發(fā)現(xiàn)加入離子后,對應體系的水合物生長速率明顯減小,即離子的存在會抑制水合物的生長。本實驗的研究對于我們開發(fā)利用甲烷水合物這一新能源有較重要的意義和參考價值。在論文的第二部分中,我們運用分子動力學模擬的方法對水在石墨烯表面的潤濕性質(zhì)進行了模擬探究,模擬過程中,在一定范圍內(nèi)不斷變化石墨烯中碳碳鍵的鍵長,觀察水滴在石墨烯表面接觸角的變化情況。構(gòu)建含有不同碳碳鍵長石墨烯的初始模型,水分子采取TIP4P-EW模型,模擬過程中同樣引入Lennard-Jones12-6勢來描述石墨烯中的碳原子和水分子中的氧原子之間的相互作用,在計算體系中水滴和石墨烯的相互作用時,石墨烯界面固定以簡化計算提高效率。為了得到接觸角的相關(guān)信息,我們對分子動力學模擬的軌跡文件進行分析,通過平衡狀態(tài)時水滴的密度分布情況勾畫出水滴的輪廓圖來測量接觸角的大小,結(jié)果證明隨著碳碳鍵長增加石墨烯的表面潤濕性減小。整個體系作為研究固體表面潤濕性的典型模型,是表面化學中最基本的研究內(nèi)容,相關(guān)的密度分布、水滴輪廓及接觸角測量均為探索液體在固體表面的潤濕行為的基本數(shù)據(jù)信息。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TE31;O647.5

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