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摘 要

本文采用分子动力学模拟，研究了壁面亲疏水性和水含量对甘油及其水溶液的受限结构性质的影响。全文主要研究结果如下：第二章和第三章分别研究了2.0 nm氧化钛（金红石110晶面）和石墨烯狭缝中甘油及其水溶液的受限结构性质，分析了水含量（0 mol%和30 mol%）与界面性质对甘油分子和水分子结构性质的影响。结果表明，壁面亲疏水性对甘油和水分子受限结构性质的影响要大于水含量的影响。空间分布方面，水分子会优先吸附于TiO₂壁面附近形成一层水分子层，水分子和甘油分子在TiO₂壁面会出现分层现象，而在石墨烯壁面旁则会部分混合。氢键性质方面，主要分析了甘油水溶液中水分子的氢键能力和稳定性。界面的引入会降低壁面附近水分子形成氢键的能力。

关键词：纳米受限 甘油 分子动力学模拟

Abstract

The effects of temperature, water concentration and interfacial hydrophilicity on the structural properties of glycerol aqueous solutions under nano confinement were investigated by molecular dynamics simulations in this paper. The main research results are as follows: In second chapter and third chapter, we investigated the microstructure properties of pure glycerol and glycerol aqueous solutions in rutile (110) nanoslit and graphene nanoslit with 2.0 nm width, respectively. And the effects of water concentration (0 mol%, 30 mol%) and interfacial hydrophilicity on the microstructure properties of glycerol and water molecules were studied. Results showed that surface hydrophilicity has the dominant influence on the spatial and orientation distributions of glycerol and water molecules. In glycerol aqueous solutions, water and glycerol molecules on the rutile surface located in two distinct layered regions, whereas they partially mixed near the graphene surface. Furthermore, interface (both rutile and graphene interfaces) introduction can reduce the hydrogen bonding ability of water molecules near the surface.

Keywords: nanoconfiend; glycerol;molecular dynamics simulation

目 录

目录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 甘油及其水溶液的研究进展 1

1.2 分子模拟简介 2

1.2.1分子动力学方法 2

1.2.2分子力场概述 3

1.2.3LAMMPS软件简介 3

1.3分子模拟在研究受限结构性质的应用 4

1.4研究内容 4

第二章 TiO₂狭缝内甘油水溶液的受限结构性质 5

2.1 引言 5

2.2 模拟细节 5

2.3 结果与讨论 6

2.3.1 受限狭缝内甘油和水分子的密度分布 7

2.3.2 受限狭缝内壁面旁甘油和水分子的取向分布 8

2.3.3 受限狭缝内壁面旁水分子的氢键性质 11

2.3.3.1 TiO₂壁面旁第一层水分子平均氢键数 11

2.3.3.2 TiO₂狭缝内甘油和水分子的氢键稳定性 12

2.4 本章小结 13

第三章 石墨烯狭缝内甘油水溶液的受限结构性质 13

3.1引言 13

3.2模拟细节 13

3.3结果与讨论 13

3.3.1石墨烯狭缝内甘油和水分子的密度分布 14

3.3.2石墨烯壁面旁甘油和水分子的取向分布 15

3.3.3石墨烯狭缝内壁面旁水分子的氢键性质 18

3.3.3.1 石墨烯壁面旁第一层水分子平均氢键数 18

3.3.3.2 石墨烯狭缝内甘油和水分子的氢键稳定性 19

3.4本章小结 19

第四章 全文结论与展望 21

4.1 全文结论 21

4.2展望 21

参考文献 22

致 谢 24

第一章 绪论

1.1甘油及其水溶液的研究进展

甘油是生物柴油的主要副产品，因其无毒性和良好的生物相容性而广泛用于食品，化妆品和制药行业。甘油最早是由瑞典化学家Scheele^[1]于1779年用一氧化铅加热橄榄油发现的，其分子结构如图1-1所示。物质结构往往决定物质性质，甘油最显著的特征是具有三个亲水性羟基，因此甘油极性较大，能够与水任意比例混合。同时，甘油具有3个碳原子的碳链，柔性较高，因此甘油分子不仅能在分子间形成氢键，并且能在分子内形成氢键。由于每个甘油分子具有三个羟基，因此甘油分子间能够形成较大的氢键网络，甘油进而具有较大的黏度和较高的沸点。此外甘油非常容易形成过冷液体，当温度持续降低至187 K时，甘油会发生相变，由液体转变为玻璃态，由于甘油的这种特性，甘油常被用于防冻液来储存细胞等。除此以外，近年来，甘油及其水溶液已经证明了许多作为润滑剂和非均相催化反应物上的应用。Shi等人^[2]发现，当甘油水溶液被用作润滑剂时，水质量分数为20％的甘油水溶液在1.35 GPa的负荷下可以表现出低至0.09的摩擦系数。Zope^[3]等人通过在涉及水的系统中使用负载型催化剂将甘油成功转化为其他工业产品。这些都涉及到了受限空间下流体的运动，了解界面诱导的独特流体微结构的性质，包括空间和取向分布以及氢键性质，是提高甘油作为润滑剂和催化反应中的反应物的润滑和转化性能的第一步。

图1-1 甘油分子构型

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