分子在納米微孔材料中擴散行為的分子動力學(xué)模擬研究.pdf

1、沸石分子篩和碳納米管是兩類重要的多孔材料。沸石分子篩由于其孔道結(jié)構(gòu)有序而均勻，比表面積大，在氣體儲存、分離凈化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景；碳納米管作為結(jié)構(gòu)簡單、剛性且光滑的疏水性一維通道，顯示出了奇特的分子輸運行為。實驗表明，水分子在碳納米管中的擴散系數(shù)比理論預(yù)測的大幾個數(shù)量級，水分子在碳納米管中快速輸運的特性在理論研究和生物領(lǐng)域都具有重要的意義。
　　理論研究，尤其是分子動力學(xué)模擬研究，有助于了解實驗技術(shù)水平無法觀測到的分子在微孔

2、材料上的擴散機制，對納米微孔材料的工業(yè)應(yīng)用也有一定的指導(dǎo)意義?，F(xiàn)今，關(guān)于分子擴散的論文不計其數(shù)，但是譬如像水分子在碳納米管上快速擴散的原因的研究還是非常有限。
　　基于以上分析，本文開展了以下兩方面的工作：
　　首先，模擬了幾種簡單氣體在二維分子篩ITQ-3中的擴散，分別考察了Y、Z兩個方向上擴散系數(shù)隨吸附量之間的關(guān)系，得出分子篩的各向異性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致分子擴散也呈現(xiàn)各向異性。在窄孔徑的Z方向上，分子從一個空腔到相鄰空腔的遷徙需要

3、克服一個較大的勢壘能，擴散系數(shù)隨負(fù)載量的增加先逐漸增大，而后逐漸減小；在寬孔徑的Y方向，負(fù)載量過大時會出現(xiàn)堵塞效應(yīng)，擴散系數(shù)隨負(fù)載量的增加而作單調(diào)減小。沿Z軸方向擴散勢能曲線的計算說明出現(xiàn)這兩種截然不同擴散模式的機理，即擴散系數(shù)隨負(fù)載量的增加是通過降低擴散活化能實現(xiàn)的。
　　模擬水分子在碳納米管中的擴散，分別考察了擴散系數(shù)隨碳納米管管徑和負(fù)載量的變化關(guān)系。通過分析水分子的均方位移曲線，發(fā)現(xiàn)水分子在管中的擴散近似于彈道擴散；計算擴散