氢化多孔石墨烯反渗透特性及机理分析

单层石墨烯凭借超薄的厚度和优异的力学化学防污性能,成为新一代纳滤膜材料的最佳选择之一.本文采用经典分子动力学方法,研究了氢化多孔石墨烯反渗透膜对盐水的反渗透特性.结果表明,水渗透量会随着驱动力、孔径和温度的增加而增加;而孔径大于水合半径的条件下,盐离子截留率会随驱动力和温度的增加而降低.当反渗透膜和盐水存在切向运动时,随着切向速度的增加可以有效提高盐离子截留率和减弱浓差极化现象,但也在一定程度上牺牲了水通量.通过分析水流沿渗透方向的能障分布、水分子的氢键分布和离子水合状态,解释了各参数变化对盐水在氢化多孔石墨烯中反渗透特性的影响机理.研究结果将提供基于单层多孔石墨烯反渗透特性的理论认识,并将为纳米级反渗透膜的设计提供帮助.     

多孔石墨烯时间维度反渗透滤盐机理研究

时间维度选择性反渗透原理虽然克服了反渗透膜微孔尺寸的限制,一定程度上突破了渗透性和选择性之间的平衡,但多层反渗透膜时间维度的滤盐机理尚未明晰.本文采用分子动力学方法,揭示了多孔石墨烯反渗透膜的厚度和剪切速度对盐水反渗透特性的影响规律.结果表明,随着多孔石墨烯反渗透膜旋转速度的增加,离子截留率增加而水通量先增加后降低;反渗透膜厚度的增加会提高离子截留率,但阻碍了水通量的上升.本文创新性地对三层石墨烯反渗透膜上的纳米孔结构进行了设计研究,发现梯度孔结构在保证高选择性的同时提高了渗透性;供给端最内层纳米孔径的变化对水通量的影响最为显著,水通量随该孔径的增加而快速上升.研究结果进一步阐明并验证了时间维度反渗透滤盐机理,利用梯度孔的设计提升了相同膜厚度情况下的水通量,为大尺度滤盐设备的设计研发提供了理论基础.     

硅基材料界面石墨烯片层运动行为及其摩擦特性

应用从头算分子动力学方法,模拟了在挤压剪切作用下石墨烯片层作为润滑剂添加于硅基材料界面的摩擦过程,研究了水分子和石墨烯表面氧化对石墨烯片层运动行为的影响.干燥环境下,压强较大时单纯石墨烯片层才会出现滑移,而氧化石墨烯片层在低压强下就开始滑移.潮湿环境下,界面结构影响水分子的整体分布和运动状态,而水分子的运动状态又影响氧化石墨烯片层的运动行为.由于二氧化硅表面羟基取向角较大,使得水分子在挤压剪切作用下偶极矩角变大,从而导致其与氧化石墨烯片层之间的结合强度削弱,二者之间出现相对滑移.石墨烯片层运动行为的改变引起了剪切面的转变.通过对石墨烯片层沿滑移方向上的速度波动幅度的分析,发现其与摩擦系数之间存在正相关性.     

科苑快讯

降低海水淡化费用的预处理方法在全世界淡水资源越来越短缺的时候,通过海水淡化获取饮用水的要求日益迫切。用反渗透(reverse osmosis,RO)膜淡化海水的主要缺点是费用昂贵,它比传统的水处理费用多2~3倍,这是反渗透膜污垢积累速度太快造成的。但是,美国一家环境工程公司———美     

超高压水的分子动力学模拟

 采用平衡分子动力学（EMD）方法,模拟研究了温度范围为243~348 K、压强范围为0.1~400 MPa条件下水的热力学性质、结构和动力学性质,模拟结果与实验值吻合较好。模拟结果表明,随着压强的增大,水分子间的氢键作用增强,扩散系数减小;随着温度的升高,水分子间的氢键作用减弱,有序程度下降,扩散系数增大。但在过冷水中,扩散系数随压强的增大有增加的趋势。     

石墨烯碳纳米管复合结构渗透特性的分子动力学研究

采用经典分子动力学方法研究了压力驱动作用下水在石墨烯碳纳米管复合结构中的渗透特性.研究结果表明,水分子渗透通过石墨烯碳纳米管复合结构的渗透率明显高于石墨烯碳纳米管组合结构.水在石墨烯碳纳米管复合结构中的渗透率随着压强的升高而增大,随着电场强度的增大而减小.考虑了温度和复合结构中双碳管轴心距对水渗透性的影响规律.系统温度越高,水的渗透率越高;随着双碳管轴心距的增加,水的渗透率逐渐降低.通过计算分析水流沿渗透方向的能障分布,解释了各参数变化对水在石墨烯碳管复合结构中渗透特性的影响机理.研究结果将为基于石墨烯碳管复合结构的新型纳米水泵设计提供一定的理论依据.     

形变碳纳米管中水的输运行为研究

水分子通过碳纳米管的运输行为对认识生命的新陈代谢活动、海水淡化和纳米运输器件有着重要的参考作用.本文通过分子动力学的方法研究了水分子通过形变碳纳米管的运输行为,即椭圆柱状碳纳米管的离心率e对管内水分子输运的影响.结果发现椭圆柱状碳纳米管的离心率对管内水分子的偶极矩概率分布、径向函数分布和流量有重要的影响作用.分析认为碳纳米管的形变使管内水分子的偶极矩态及其运输状态发生变化;同时也发现在一定范围内通过改变碳纳米管的形状能起到分子开关的作用.     

形变碳纳米管中水的输运行为研究

水分子通过碳纳米管的运输行为对认识生命的新陈代谢活动、海水淡化和纳米运输器件有着重要的参考作用. 本文通过分子动力学的方法研究了水分子通过形变碳纳米管的运输行为, 即椭圆柱状碳纳米管的离心率e对管内水分子输运的影响. 结果发现椭圆柱状碳纳米管的离心率对管内水分子的偶极矩概率分布、径向函数分布和流量有重要的影响作用. 分析认为碳纳米管的形变使管内水分子的偶极矩态及其运输状态发生变化; 同时也发现在一定范围内通过改变碳纳米管的形状能起到分子开关的作用.     

水蒸气诱导两性离子聚合物刷的构象转变

我们把Flory Huggins模型(association models)推广应用到暴露于水蒸气中的两性离子聚合物刷体系,考虑两性离子聚合物-水氢键(P-W氢键)与两性离子聚合物链间两亲离子单体-单体键合(zwitterions complex)、形成氢键与两性离子聚合物链构象的耦合特性,研究水蒸气诱导的两性离子聚合物刷构象转变的机理和相行为.研究发现,随着水蒸气浓度的增加,P-W氢键效应会使得两性离子聚合物刷溶胀;两亲离子单体-单体键合效应会导致水分子将会被排出刷外,并会导致两性离子聚合物刷塌缩.通过分析两性离子聚合物刷的相图发现,P-W氢键效应在决定两性离子聚合物刷的相行为中起到主导作用,在水蒸气增加过程中两性离子聚合物刷将会单调溶胀.基于本文的分析,可以预言,由于P-W氢键效应,两性离子聚合物刷可以吸附水蒸气,当两性离子聚合物链接枝密度足够高时,两性离子聚合物刷内的水分子将会被排出,并会形成两亲离子单体-单体键合连接的凝胶状结构.     

石墨烯表面的特征水分子排布及其湿润透明特性的分子动力学模拟

石墨烯因其独特的分子构型、卓越的物理化学性能而受到广泛关注.本文首先利用分子动力学模拟比较了单层石墨烯、铜、二氧化硅三者表面的浸润性,除了接触角的比较,还分析了基底表面的水分子排布,得到石墨烯表面的特征水分子排布为:表面有两层密集的水分子层,其中靠近基底的密集水分子层中O—H键与垂直基底方向夹角集中在90°附近,并且基底表面的氢键几乎都垂直于基底.另一方面,本文研究了石墨烯浸润透明特性,发现在铜和二氧化硅上添加一层石墨烯,对铜的浸润性影响较小,对二氧化硅的浸润性影响很大,不仅使其上接触角显著增大,还使得基底表面的水分子排布呈现出类似单层石墨烯上的规律.本文使用分子动力学模拟方法从微观尺度验证了文献的实验结果,从基底表面水分子排布角度分析了石墨烯独特的浸润透明特性,为进一步开发石墨烯在微结构设计上的应用提供了理论指导.     

水流在旋转黑磷纳米管内轴向驱动特性

运用分子动力学方法模拟研究了旋转的黑磷纳米管对管内水流的轴向驱动特性,研究结果表明:手性黑磷纳米管在旋转时会驱动管内水分子沿轴向运动,运动方向由纳米管转向决定;管内水流的流速和驱动力会随着黑磷管转速的提高而增大.采用黑磷双壁Couette模型计算分析了水-黑磷界面的摩擦系数及滑移特性,阐明了黑磷表面天然的各向异性微结构是旋转黑磷管轴向驱动水流的本质原因.构建了在双层黑磷纳米管间填充水分子的模型,发现内外黑磷管同时旋转时,管间水分子的轴向运动会增强.纳米管半径也会对水分子的定向运动产生影响,具体表现为在相同转速下,随着纳米管半径的增大,管内水分子在轴向上的运动速度会减小,而受力则会增大;双壁黑磷纳米管在旋转时管内水分子的轴向运动情况和单壁黑磷纳米管模型差异很小,证明黑磷管层数对水流驱动效果的影响不明显;温度对水流驱动效果的影响规律取决于管内压强和温度对流固界面摩擦系数的耦合作用,当温度低于常温时水分子在轴向上的速度和受力会随着温度的升高而增大,当温度达到常温时则趋于平稳.研究结果可为基于黑磷纳米管的流体传动器件的设计和应用提供理论基础.     

离子凝胶薄膜栅介石墨烯场效应管

在石墨烯场效应晶体管栅介结构中引入具有良好电容特性或极化特性的材料可改善晶体管性能.本文采用化学气相沉积制备的石墨烯并以PVDF-[EMIM]TF2N离子凝胶薄膜(ion-gel film)作为介质层制备底栅型石墨烯场效应管(graphene-based field effect transistor, GFET),研究其电学特性以及真空环境和温度对GFET性能的影响.结果表明离子凝胶薄膜栅介石墨烯场效应晶体管表现出良好的电学特性,室温空气环境中,与SiO_2栅介GFET相比, ion-gel膜栅介GFET开关比(J_(on)/J_(off))和跨导(g_m)分别提高至6.95和3.68×10~(–2) mS,而狄拉克电压(V_(Dirac))低至1.3 V;真空环境下ion-gel膜栅介GFET狄拉克电压最低可降至0.4 V;随着温度的升高, GFET的跨导最高可提升至6.11×10~(–2) mS.     

等容条件下H2O-CO2-CH4混合流体的高温拉曼光谱就位分析

 以合成包裹体作为腔体，用显微激光拉曼探针就位分析了H₂O-CO₂-CH₄混合流体的高温特性。研究结果表明，在高温下，CH₄和CO₂相互之间对各自拉曼光谱的影响不大，水分子对它们的拉曼峰有比较大的影响。在等容条件下，流体均一前，随着温度的升高，水分子的氢键几乎呈线性减少，均一为气相的流体，水分子伸缩振动拉曼峰的变化与一般气体变化相似；随着温度升高，体系压力的增加，最大峰频率呈很微小的降低趋势。均一为液相的流体中的水分子，在均一温度时，氢键变化发生了转折，均一后流体中水分子的氢键受温度的影响比均一前明显要小，在测量的最高温度520 ℃，水分子存在着一定的氢键作用。一直到拉曼光谱测量的最高温度580 ℃还未均一的流体，液相中水分子存在比较强的氢键作用。     

碳纳米胶囊中水分子的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了不同温度下碳纳米胶囊中水分子及其氢键的聚集密度分布,讨论了水分子内部键角及其取向规律.计算结果表明,由于碳纳米胶囊的束缚作用,水分子主要聚集在与胶囊形状相似的三个薄层中,随着温度的升高,聚集密度峰均会展宽并向管壁移动.氢键的分布规律与水分子聚集密度类似并对其取向角分布有明显影响.与通常情况不同,在1000K高温时仍存在相当数量的氢键.在3100 K附近,碳纳米胶囊发生破裂,溢出少量水分子后自动愈合.     

纳米晶硅薄膜中氢含量及键合模式的红外分析

采用传统射频等离子体化学气相沉积技术在100—350℃的衬底温度下高速沉积氢化硅薄膜. 傅里叶变换红外光谱和Raman谱的研究表明,纳米晶硅薄膜中的氢含量和硅氢键合模式与薄膜的晶化特性有密切关系,当薄膜从非晶相向晶相转变时,氢的含量减少了一半以上,硅氢键合模式以SiH₂为主. 随着衬底温度的升高和晶化率的增加,纳米晶硅薄膜中氢的含量以及其结构因子逐渐减少. 关键词： 氢化纳米晶硅薄膜 红外透射谱 氢含量 硅氢键合模式     

降低海水淡化费用的预处理方法

在全世界淡水资源越来越短缺的时候，通过海水淡化获取饮用水的要求日益迫切。用反渗透（reverse osmosis，RO）膜淡化海水的主要缺点是费用昂贵，它比传统的水处理费用多2～3倍，这是反渗透膜污垢积累速度太快造成的。但是，美国一家环境工程公司——美华集团（Montgomery Watson Harza，MWH）的曼尼施·库马（Manish Kumar）、赛玛尔·阿达姆（Samer S．Adham），和圣迭戈市水务局（City of San Diego Water Department）的威廉·皮尔斯（William Pearce），联名在2006年第6期《环境科学与技术》杂志上发表的文章中，提出了一种用微孔过滤（microfiltration，MF）膜对海水进行预处理的新方法，能大大降低整个淡化处理过程的费用。     

限制在疏水板中的新的六边形-四边形三层冰结构 (cited: 1)

对限制在两个光滑的疏水板间的水进行了分子动力学模拟,观察到了两种晶体结构,都满足冰规则. 在1 GPa的压强和1.0 nm的板间距下获得的新的冰相是平坦的六边形-四边形三层冰. 在此结构中,靠近板的两层(外层)中的水分子形成六边形环,中间层的水分子形成四边形环. 对于外层的水分子,其四个氢键中的三个在同一层中,另一个氢键与中间层连接. 对于中间层的水分子,四个氢键中的两个在同一层中,而另外两个氢键与两个不同的外层相连. 虽然三层的形状不同,但其面密度却接近相等. 另一种结构是在0.8 nm的板间距和100     

气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响

环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响.基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究,探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响.实验结果表明,在10-100 kPa空气压强条件下,空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化,且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别.随着空气压强增大,激光击穿作用区域的空气密度增加,造成激光诱导击穿空气几率升高,从而等离子体辐射光谱强度增大.空气等离子体膨胀区域空气的约束作用,增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率,并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加,因此造成原子谱线OⅠ777.2 nm与NⅠ821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大,在80 kPa时谱线强度最高,随后谱线强度缓慢降低.而离子谱线N Ⅱ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值,气体压强大于40 kPa后,谱线强度随压强增加而逐渐降低.空气等离子体电子密度均随压强升高而增大,在80 kPa后增长速度变缓.等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值,气体压强大于30 kPa后,等离子体电子温度逐渐降低.研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础,为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.     

Langmuir-Blodgett膜摩擦分子动力学模拟和机理研究

采用分子动力学方法,模拟了在两块石英基板上由脂肪酸(C₁₅H₃₁COOH)组成的单层Langmuir-Blodgett (LB)膜间的摩擦特性,探究了超薄膜在滑动过程中的摩擦和结构机理.得出对于单层LB膜在滑动过程中,在速度小于60m/s时,随着速度的增大,其剪切压增大;在速度大于60 m/s时,剪切压随速度的增加而减小.其链的倾斜角随着滑动速度的增加而减小.单层膜内的分子之间以氢键方式形成了较大的分子簇,由此导致了剪切压呈现较长的周期性,但在单层膜之间无氢键形 关键词： 分子动力学模拟 朗缪尔布洛杰特膜 纳米摩擦 氢键     

高盐溶液蒸发过程中的分子动力学模拟与研究

随着我国工业的快速发展,如何减量化处理工业排放的高盐废水已经成为了亟待解决的环境问题.在处理高盐废水的各种工艺中,热蒸发技术因具备脱盐效果好,灵活性好等特点得到了广泛应用.本文从微观角度出发,采用分子动力学模拟方法研究了LiCl、KCl、CaCl_(2)三种溶液在400 K和500 K两种温度加热条件下的蒸发过程,分析了Li^(+)、K^(+)、Ca^(2+),Cl^(-)四种盐离子对蒸发速率、水分子取向、氢键、溶液结构等性质的影响.研究结果表明温度的提升会对蒸发速率产生极大影响,温度的提高不会改变配位水化层的位置但会明显减少离子的配位水分子数,有利于提高活跃水分子的占比和蒸发速率.