锂-, 钠-, 钾水化蒙脱石层间结构的分子动力学模拟

运用分子动力学(molecular dynamics, MD)方法分别研究了含有32, 64和96个水分子的Li-, Na-, K-蒙脱石层间阳离子与水分子的位置和结构. 计算结果表明蒙脱石层间阳离子位置与四面体和八面体电荷位置及离子的大小有关. 一层水合物中可以观察到三种阳离子都能和四面体电荷与八面体电荷位置分别形成内、外配位作用. 二层水合物中, 仍然可以观察到Li^＋和Na^＋与电荷位置的配位作用, 但是已经开始向层中其他方向扩散, 而K^＋仍然在粘土的表面附近. 三层水合物中, Li^＋, Na^＋开始从电荷位置和表面分离, K^＋也开始向层间其他方向扩散. 水分子在所有三种水合物中都分散于层间各个方向. 径向分布函数的分析结果表明层间三种阳离子组织水分子的能力不同, 水化作用随着阳离子半径的增大而减弱; 此外层中水分子的聚合程度随着水分子的增加而加强, 水分子的结构也不同于模拟的液体水分子的结构; 说明蒙脱石层间阳离子的溶剂化作用对水分子的组织起着重要的作用.     

水化Na-蒙脱石和Na/Mg-蒙脱石的分子动力学模拟

利用分子动力学方法(MD)研究了Na-蒙脱石和Na/Mg-蒙脱石层间的补偿阳离子和水分子的结构及扩散性质. 模拟结果表明, 在一定水含量范围内Na-蒙脱石和Na/Mg-蒙脱石表现出不同的膨胀形式, 特别是层间水分子数目在48～72之间时, Na/Mg-蒙脱石的层间距比Na-蒙脱石有较为明显的增大. Na/Mg-蒙脱石两层水化物的层间水分子与Mg2+形成了明显的两层水合壳; 而与Na+只形成了一层平面的水合壳. 在Na/Mg-蒙脱石中, Na+和 Mg2+的扩散方式不同, Na+的扩散范围相对更广, 自扩散系数更大. Na/Mg-蒙脱石比相同水含量下的Na-蒙脱石层间水的自扩散系数小. 由于Mg2+和Na+对层间结构的强烈影响, 从而使有少量Mg2+取代Na+的Na/Mg-蒙脱石与Na-蒙脱石表现出不同的膨胀性质和层间物质的扩散性质.     

水化镁基蒙脱石的分子动力学模拟

利用分子动力学(MD)模拟了300 K时镁基蒙脱石(粘土)层间水和镁离子的结构和动力学性质.模拟结果显示水在粘土层间分为二层,只有一小部分水被粘土表面吸附,与粘土结构中的羟基形成氢键,不同分布位置的水处于动态平衡.层间水分子氢键配位数比普通水少24%左右,水在粘土中自扩散系数D＝5.355×10^-10 m²·s^-1,约为主体相水的1/4.镁离子在粘土层间形成一层,其与水分子配位数约为6.进一步讨论了温度对粘土层中水的结构和动力学性质的影响.随着温度升高,水层的局部密度ρ(z)降低,水在XY方向的扩散系数不断增大.当温度达到600 K后,层间水分子间的氢键断裂,与超临界状态下水的结构相似,层间水的扩散系数达最大值,温度进一步升至700 K时,其值基本无变化.     

TiO_2/蒙脱石层间化合物的制备及层间原位反应过程研究

基于蒙脱石层间域的二维纳米反应器属性,通过溶剂化作用,将氧化钛前躯体钛酸丁酯引入有机季铵盐阳离子插层的蒙脱石层间域中,并使其在蒙脱石层间域中水解、成核和相变结晶.采用XRD、原位升温Raman光谱、TEM分析手段研究了钛酸丁酯进入蒙脱石层间域过程,以及钛酸丁酯在蒙脱石层间域中水解和TiO2成核及相转变过程.结果表明钛酸...     

离子交换对usf-ZMOF二氧化碳吸附能力影响的研究

合成了骨架带电的类沸石金属-有机骨架材料usf-ZMOF. 通过Li^＋离子交换将骨架中体积较大的有机阳离子用较小体积的无机阳离子取代, 利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)等手段对离子交换前后的材料进行表征, 并对CO₂在其中的吸附性质进行了研究. 实验结果表明, Li^＋离子交换后材料的比表面积增加, CO₂吸附量也增加, 与分子模拟预测的结果一致.     

甲烷水合物分解及自保护效应的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)方法, 在温度T = 240, 260, 280和300 K的条件下模拟了Ⅰ型甲烷水合物晶体的分解过程. 研究发现,水合物分解后将在相界面上形成一层“准液膜”,准液膜中水分子的结构性质、空间取向和动力学性质均出现由“似晶”到“似液”的渐变过程. 在水合物分解过程中, 准液膜的存在对水分子和甲烷分子的扩散形成传质阻力. 由于甲烷分子必须穿过准液膜才能进入气相, 准液膜的传质阻力抑制了甲烷分子向气相的扩散过程, 致使水合物的分解速率随之降低, 从而产生自保护效应. 当温度低于水的冰点时, 准液膜中水分子的“似晶”程度较高, 准液膜的传质阻力较大, 自保护效应较明显. 当温度高于水的冰点时, 准液膜中水分子的“似液”程度较高, 准液膜的传质阻力显著下降, 水合物的自保护效应明显减弱.     

吡啶类离子液体在气-液界面吸附的量子化学研究

采用量子化学密度泛函理论,在B3LYP/6-311+G水平上,对吡啶离子液体阳离子[BuPy]+及其水合物(水分子数为1～6)的分子模型进行结构优化和频率分析,得到各种水合物的热力学性质,由此计算水合过程的标准反应焓变和吉布斯自由能变,从分子水平上研究吡啶类离子液体与水分子的相互作用.结果表明,离子液体阳离子极性头与水分子以氢键形式构成水合层,该类氢键属于中强氢键;其水合过程是一个自发的放热过程,并且随着水分子数的增加水合物的稳定性也逐渐增强.     

Fe2O3-ZrO2层柱蒙脱石的合成和热稳定性

蒙脱石是具有2∶1层状结构的粘土矿物,酸化蒙脱石用途广泛[1]。利用较大体积多聚金属阳离子与蒙脱石进行离子交换并把蒙脱石层撑开,可以得到复合材料—层柱蒙脱石(ＰＩＬＭ),它具有二维的层柱结构,其孔径比一般的分子筛大。其孔径还可以根据蒙脱石离子交换当量和交换阳离子的体积大小加以控制。它具有良好的热稳定性和酸性,并且合成方法简单。蒙脱石和膨润土在我国分布广泛,储量大。因此ＰＩＬＭ在载体、吸附剂及较大分子转化催化剂等方面具有较好的应用前景。传统的层柱蒙脱石是由单组分多聚金属阳离子与蒙脱石进行交联而合成的,本文在…     

水分子在高岭石中插层行为的量子化学研究

采用密度泛函理论B3LYP方法,在B3LYP/6-31G(d)理论水平上,构建高岭石的层间团簇模型Si6Al6O42H42(层间距为0.844 0和1.000 0nm),并对高岭石层间及其与n(n=1～3)个水分子相互作用的团簇的各种性质进行研究,如优化的几何构型、电子密度、氢键、能量、NBO电荷分布、振动频率等.结果表明,随着水分子个数n(n=1～3)的增加,体系的能量逐渐降低.水分子通过多种类型的氢键插层于高岭石层间,其中水分子间的氢键强度最强,其次是水分子与铝氧层之间形成的氢键,再次是水分子与硅氧层之间的氢键;层间距随着插层分子的增多而增大,但高岭石层间的活性位点依然存在,且位置较插层前没有明显变化.     

十二烷基苯磺酸钠和无机阳离子之间相互作用的密度泛函理论研究

研究阴离子表面活性剂和阳离子之间的相互作用对于理解阴离子表面活性剂的沉淀和溶解现象具有十分重要的理论和实际意义,但关于两者相互作用的相关理论模型鲜有报道。本文采用密度泛函理论(DFT)方法研究了十二烷基苯磺酸根阴离子(DBS^-)与阳离子(Na⁺, Mg²⁺和Ca²⁺)在溶液内及气/液界面处的相互作用。在溶液内,在两种不同溶液环境中(水相和正十二烷)构建DBS^-/阳离子相互作用模型,并对其进行优化。结果表明, DBS^-能够与阳离子以双齿结构稳定结合。DBS^-与阳离子的结合能不仅取决于参与的无机盐离子种类,还与溶剂的性质有关。在气/液界面处, DBS^-与六个水分子相互作用形成的水合物DBS^-·6H₂O最为稳定。但是,无机盐离子的引入会严重破坏DBS^-·6H₂O水合物的水化层结构。本文定义无量纲参量def用来对水化层结构的变化程度进行评价。无机盐离子对DBS^-·6H₂O水化层结构破坏程度的顺序为:Ca²⁺ > Mg²⁺ >Na⁺。电荷分析结果表明水化层在十二烷基苯磺酸钠(SDBS)头基与阳离子的相互作用中起了重要作用。     

New approach for representation of molecular surface

A new algorithm is proposed for approximation to the molecular surface. It starts with a triangular mesh built on an ellipsoid embracing the whole molecular surface. The triangular mesh is obtained from an icosahedron subdivision sphere with highly uniform vertex distribution, and the embracing surface is deflated stepwise to the best adherence of its triangles onto the surface of the molecule. The deflating direction of each vertex of a triangle is defined by the vector normal at this point to the previous deflated embracing surface. Our results show that the speed of the triangulation embracing ellipsoid method and the quality of the surface obtained by the method are faster and better than the method that starts with a quadrilateral mesh built from meridian and parallel representations on an embracing sphere to get the molecular surface. Furthermore, the surface obtained by the method can be used directly to approximate the molecular surface by spherical harmonic expansions. © 1998 John Wiley & Sons, Inc. J Comput Chem 19: 1805–1815, 1998     

分子逻辑器件研究进展

分子器件具有尺寸小、设计合成可控、存储量大、反应速度快、人工智能等诸多优点,是当今化学、物理和材料等领域研究最为重要的一个交叉领域.综述了近些年来分子逻辑器件领域的研究进展.介绍了各种类型的分子逻辑门、半(加)减法器、分子逻辑线路以及DNA分子和固态分子计算.最后提出了分子器件存在的问题并展望了其应用前景.     

分子陀螺的设计、合成与组装

近来,科学家设计和合成了系列分子水平的陀螺。类似于儿童的玩具陀螺仪,这种分子陀螺由一个转子、一个定子框架和连接定子和转子的轴组成。定子框架通过自身的刚性结构为中心转子的转动提供足够的内在自由度,得以对内部的转子实施保护。并使得分子陀螺成为一个理想的分子转子。当转子上有偶极距时,则可能在外来电、磁、光的刺激下进行定向转动,成为分子马达。化学家们通过X射线晶体衍射技术、动态核磁技术、理论计算化学、热力学分析等方法表征了分子陀螺的各种特征,并积极探索其潜在的应用价值。本文着重介绍分子陀螺,以及超分子陀螺仪的发展历史以及研究进展。     

Method for Smoothing the Boundaries of the Van Der Waals Models of Molecules

A geometrical method is suggested for representing a molecule by a smoothed region. The effective volume and surface area are calculated, which results in more adequate proportionality of interactant molecules compared to the classical van der Waals models.     

模板剂在分子筛合成过程中的作用机理

启用分子模拟途径,通过Lennard-Jones势对模板剂分子与分子筛骨架间非成键作用的能学分析,论证n=5、6的双季铵盐［(CH₃)₃N(CH₂)_nN(CH₃)₃］Br₂在ZSM-50分子筛骨架合成过程中所起的模板作用。     

分子力学和分子动力学方法研究不同变质程度烟煤的分子结构

采用分子力学和分子动力学模拟方法 ,研究了不同变质程度烟煤的三维分子构型和能量参数。结果表明 :随变质程度的增加 ,煤分子内平行的芳香片层结构增大。不同变质程度烟煤分子在团聚前后的成键相互作用能仅略有变化 ,其中扭转能Et 的变化相对较为显著 ,并且扭转能随煤阶的增加呈逐渐减小的趋势。非成键作用能 ,特别是超过三个原子的范德华作用能 ,是煤中的重要相互作用能 ,是模型分子团聚的重要驱动力 ,对于烟煤分子聚集状态的形成起着决定性的作用。同时随煤阶的升高 ,超过三个原子的范德华作用能逐渐增加。模型分子的总势能随煤阶的变化呈两头高、中间低的趋势 ,与煤的一些宏观物理性质有一定的相一致性。     

杯芳烃-卟啉化合物的合成及性质

杯芳烃和卟啉通过共价键连结或者分子间作用力聚集形成的杯芳烃-卟啉化合物在分子识别、分子催化、分子自组装等方面有潜在的用途. 本工作综述了杯芳烃-卟啉化合物的合成及性质.