石墨烯和碳納米管由于天然具備納米通道,同時水在其中受到極低的阻力,因此,以石墨烯和碳納米管為代表的碳基納米材料成為研究受限體系下水輸運的理想材料,在海水淡化、生命科學等領域具有潛在的應用價值。此外,納米通道的尺寸很小,實驗研究難以獲得水在其中流動時的詳細信息。本論文應用分子動力學模擬對水在納米通道中的輸運進行了研究,主要研究結果如下:(1)在石墨烯納米通道層間距為0.65nm時,層間水會自發(fā)地形成四方冰的結構。系統(tǒng)壓強在適當?shù)姆秶鷥?nèi)(15-55MPa),對四方冰的結構幾乎沒有影響,但是石墨烯與水之間的摩擦系數(shù)隨著壓強的增加而增加。通過對水的結構和壁面與水之間界面的結構進行分析發(fā)現(xiàn),壁面在水分子處的勢能分布是影響固液界面摩擦系數(shù)的主要原因,勢能面越褶皺,固液界面的摩擦系數(shù)越大。(2)構建了不同形狀的碳納米通道(石墨烯層間,三角形,正方形,六邊形,八邊形和圓形的納米通道),研究了不同構型的納米通道中水的輸運規(guī)律。研究結果表明,固液界面的摩擦系數(shù)與通道的構型有關。在同一種構型下,固液界面的摩擦系數(shù)隨著管徑的增加而增加。在同一種管徑下,通道的形狀越接近與圓形,摩擦系數(shù)越小。因此,通道的構型是控制通道中水輸運的有效方式。通過構型對水輸運的分子機制進行研究發(fā)現(xiàn),固液相互作用勢能面褶皺程度的改變是導致固液界面摩擦系數(shù)改變的主要原因。
【學位單位】：西北農(nóng)林科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P33
【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 課題背景和研究意義
    1.2 納米受限體系的介紹
        1.2.1 石墨烯與石墨烯夾縫
        1.2.2 碳納米管
    1.3 一維受限水的輸運
    1.4 二維受限水的輸運
    1.5 本論文的主要研究內(nèi)容
第二章 計算理論和模擬方法
    2.1 本章引言
    2.2 分子動力學
        2.2.1 分子動力學模擬基本原理
        2.2.2 分子動力學模擬的積分算法
        2.2.3 分子動力學的時間步長
        2.2.4 原子間的相互作用勢
        2.2.5 能量最小化
        2.2.6 邊界條件和分子間作用力的計算
        2.2.7 分子動力學模擬的系綜
    2.3 Lammps軟件的基本介紹
    2.4 本章小結
第三章 壓強對四方冰在石墨烯夾縫中輸運的影響
    3.1 本章引言
    3.2 模擬方法
        3.2.1 模擬模型
        3.2.2 模擬細節(jié)
    3.3 結果與討論
        3.3.1 單層水的輸運性質
        3.3.2 四方冰的結構性質
        3.3.3 固液界面的勢能分布以及固液之間的相互作用能
    3.4 本章小結
第四章 受限體系的構型對水輸運的影響
    4.1 本章引言
    4.2 模擬細節(jié)
    4.3 結果和討論
        4.3.1 受限水的輸運性質
        4.3.2 水在納米管通道中的密度分布
        4.3.3 體系的壓強的計算
        4.3.4 納米通道在第一層水分子處的勢能分布
    4.4 本章小結
第五章 總結和展望
    5.1 總結
    5.2 展望
參考文獻
致謝
作者簡介

【參考文獻】

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1 趙夢堯;楊雪平;楊曉寧;;石墨烯狹縫受限孔道中水分子的分子動力學模擬[J];物理化學學報;2015年08期

2 王琪;鄭根江;譚永文;;我國海水淡化產(chǎn)業(yè)進展[J];水處理技術;2014年01期

本文編號：2892531