碳纳米管间水分子扩散与操控的理论研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 鲁扬超 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 方海平 |
| 关键词 | 碳纳米管 水分子 扩散 操控 |
| 英文摘要 | 水是生命之源。水资源尤其是淡水资源,在人类的生存和可持续发展中具有决定性作用。虽然地球水资源丰富,但其中只有2.53%是可供人类饮用的淡水,并且这些淡水大部分是以冰雪的形式存在于南北两极、高山冰川、大陆冰盖和永久冻土层中。又由于淡水资源分布不均匀的原因,人类始终面临着淡水资源短缺的危机。而如何高效的将海水淡化是解决淡水资源短缺的关键。目前海水淡化的方法有多种,其中最常用的就是利用水分子在纳米管道中的输运来设计的超滤装置。纳米管道的研究中使用的材料有多种,在理论模拟和实验中常被使用的主要有碳纳米管、氮化硼、石墨烯、氧化石墨烯以及黑磷等。碳纳米管因具有超快速输运水分子的物理特性而经常被使用在海水淡化的研究中。而操控纳米通道中水分子的扩散以及提高水分子的扩散速度是高效海水淡化的重要手段。操控纳米管中水分子扩散速度最直接的方式是改变纳米管的表面性质,比如,在同心双壁纳米管中通过声子诱导的方式减小水分子与纳米管壁之间的摩擦力,进而增强水分子在纳米通道中的扩散速度;或者通过对纳米管进行电荷修饰,调整纳米管与水分子之间的相互作用,调节水分子在纳米通道中的扩散速度。最新的研究表明,通过控制两个不相连的纳米管,使水分子在空隙之间形成水桥,也能使水桥内水分子的扩散速度得到提升。在这篇文章中,我们运用分子动力学的方法,使用外加电场驱动水分子在两根不相连的纳米管之间形成一个悬空的纳米级水桥。我们发现,电场强度可以调节水桥的最大长度,水桥内分子的扩散速度可以通过调节水桥的长度进行操控,并且水桥内水分子的扩散速度最大可以增强到体相水的4倍以上。通过分析水桥的结构性质,我们发现扩散系数增加的原因是水分子之间相互作用能以及氢键个数的增加,而水分子之间相互作用能的增加以及氢键个数的增加是由于外电场改变了水分子偶极指向的分布引起的。除了使用水桥的方式操控水分子的扩散速度之外,我们还尝试通过调节同心双壁纳米管内外管的长度差对水分子的扩散速度进行操控。我们构建了三种构型:(?)L=0(构型Ⅰ),(?)L0(构型Ⅲ,内管长度大于外管长度)。和单管纳米管相比,构型Ⅰ管内水分子的毛细扩散速度减小了9.1%,构型Ⅲ管内水分子的毛细扩散速度增加了10%,构型Ⅱ管内水分子的毛细扩散速度增加了30%-46.5%。通过分析水分子的微观结构,我们发现水分子毛细扩散速度的提升是由水盒子内水分子和管口处水分子的势能差引起的。并且毛细扩散速度和势能差之间的关系可以使用指数形式描述v_L(t)～e~-((?)E/(k_B)T)。因此,我们可以通过调节同心双壁纳米管内外管的长度差对水分子的扩散速度进行操控。我们的研究结果不仅能在海水淡化上有重要作用,还在水疗、纳米交换器、引擎催化剂、超滤作用、渗透能的传输等方面有极大帮助。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33888]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 鲁扬超. 碳纳米管间水分子扩散与操控的理论研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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