功能化石墨烯用于水脫鹽的分子動力學模擬研究.pdf

1、2004年科學家發(fā)現了一種具有良好載流子遷移率、優(yōu)異透光性、強大機械強度、穩(wěn)定化學性的新型二維碳納米材料。由于其獨特性在生物藥學和材料領域展現了潛在應用價值。實驗表明帶有孔洞的石墨烯片可以用作分離膜，且洞邊緣碳原子易被化學修飾得到石墨烯衍生物用于水溶液除雜等。但是，為了能夠更好的開發(fā)利用石墨烯材料，我們需要從分子角度對石墨烯材料的應用機理進行深入討論。
　　為了研究了石墨烯衍生物在海水淡化和去除水溶液重金屬離子方面的應用及作用機理

2、，本論文采用分子動力學模擬方法對它們進行深入研究，分子模擬在某些方面對實驗具有一定的指導作用，同時，還可以在分子層面展現石墨烯材料與溶液離子之間的相互作用情況，這有助于科研工作者對石墨烯材料與溶液中雜質之間的作用機理得到更深入的認識。具體研究內容為以下三部分:
　　(1)利用分子動力學模擬方法研究了納米多孔石墨烯片被兩性聚合物（聚羧基三甲胺乙酯）修飾后用于海水淡化的的過程。從微觀角度研究兩性聚合物對海水淡化的影響，對比了納米多孔石

3、墨烯被修飾前后的水分離效果，兩性聚合物的分子結構和行為變化，及聚合物與離子之間的相互關系。結果表明聚合物鏈對通過的離子的阻礙機制為空間位阻和靜電吸引，其中空間位阻占主導地位。聚合物鏈折疊可以減少膜的有效開孔面積，兩性聚合物鏈正負電荷中心可以有效吸附溶液中的鈉離子和氯離子，兩性聚合物鏈對于離子來說在反滲透膜中起到“看門人”的作用。
　　(2)通過分子動力學手段研究了銅離子和鈉離子透過不同層間距的多層氧化石墨烯的滲透行為。多層氧化石墨

4、烯表現出選擇透過性對滲透的離子。我們對銅離子和鈉離子在氧化石墨烯層內進行了滲透性對比，在分子水平上分析了金屬離子與氧化石墨烯之間的相互作用。結果討論表明層間距和孔邊緣羧基對通過的離子的阻礙機制分別為空間位阻和靜電吸引，鈉離子受層間距的影響較大，而銅離子在膜內滲透過程中受層間距的影響較大。在滲透過程中銅離子和鈉離子受羧基吸引作用聚集在羧基官能團周圍，且銅離子的聚集吸附行為更為明顯，對于銅離子而言，進入膜內后影響其滲透性的主要因素為靜電吸引

5、。
　　(3)本章運用分子動力學模擬了氧化石墨烯和被乙二胺四乙酸(EDTA)改性的氧化石墨烯作為吸附膜，對比了鈉、鈣和鉛離子分別與吸附膜的吸附行為。研究了三種金屬離子在設計的吸附膜表面的吸附情況、吸附結構和吸附性差異，發(fā)現三種金屬離子的吸附作用位點都是羧基，金屬離子與羧基間靜電勢能分析發(fā)現氧化石墨烯膜的吸附機理為靜電吸附作用，利用均力勢等對比了三種金屬離子在氧化石墨烯表面吸附和解離能力。結果顯示，相對于鈉離子和鈣離子而言，鉛離子與