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摘 要

生物离子通道因其离子分离的高选择性和较低的能耗给予了离子分离新的解决方法。作为仿生的离子选择通道，石墨烯纳米孔对分离性质相同的离子如Ca² 和Na 有着重要的意义。研发高选择性、低能耗同时高通量的石墨烯离子分离膜在此背景下就显得十分必要了。

同时随着计算机计算能力的提升，分子动力学模拟渐渐被应用于生物、物理、化学等学科。分子动力学模拟一方面可以提供实验中很难获得的热力学数据，另一方面可以在较短的时间内，处理计算得出较大分子体系的性质行为。分子动力学模拟给予了人们不依据实验数据的前提下，估计石墨烯分离膜分离性能的可能性，从而大大减少了试错实验次数。

本文使用分子动力学模拟依据石墨烯孔道模型，研究并对比在不同石墨烯纳米孔的尺寸下，Ca² 和Na 的传递行为和流体在界面性质影响下的传递机制。

关键词：石墨烯；分子模拟；钙离子；钠离子；分离

Molecular Dynamics Study on the Separation Performance of

Ca , Na Ions in Graphene Nanopores

Abstract

Ion channels give new solutions to ion separation due to their high selectivity for ion separation and lower energy consumption. As a bionic ion-selective channel, graphene nanopores have important implications for the separation of ions with the same properties such as Ca² and Na . The development of highly selective, low-power, high-throughput graphene ion separation membranes is essential in this background.

At the same time, with the increase of computer computing power, molecular dynamics simulation has gradually been applied to biology, physics, chemistry and other disciplines. On the one hand, molecular dynamics simulation can provide thermodynamic data that is difficult to obtain in experiments. On the other hand, it can be processed and calculated in a relatively short period of time to obtain the behavior of the larger molecular system. Molecular dynamics simulations have given the possibility of estimating the separation performance of graphene separation membranes without relying on experimental data, thereby greatly reducing the number of trial and error experiments.

This paper is to use molecular dynamics simulation as a research method. Based on the graphene pore model, the transfer behavior of Ca² and Na and the transfer mechanism under the influence of interface properties under different size of graphene nanopore are studied.

Key words： Graphene； Molecular simulation； Calcium ions；sodium ions； Separation

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 膜应用简介 1

1.1.2 常用的离子分离膜技术 1

1.1.3 钙钠离子分离的最新进展 2

1.2 基于石墨烯膜的模型 2

1.2.1 石墨烯简介 2

1.2.2 石墨烯膜分离研究进展 3

1.3 课题的提出以及研究内容 4

1.3.1 课题的提出 4

1.3.2 研究内容 4

第二章 理论基础 5

2.1 计算机分子模拟简介 5

2.2 分子动力学模拟理论 5

2.2.1 分子动力学模拟 5

2.2.2 分子力场概述 6

2.2.3 MD模拟中的系综 7

2.2.4分子动力学模拟初始状态值的设定 8

2.3 GROMACS软件简介 8

第三章 石墨烯孔对Ca2 /Na 分离性能的研究 10

3.1 引言 10

3.2 模拟方法 11

3.2.1 模拟体系的建立 11

3.2.2 力场参数的选择 12

3.2.3 模拟细节 13

3.3 结果与讨论 14

3.3.1 电荷密度分布分析 14

3.3.2 通量和选择性分析 14

3.3.3 离子-水径向分布函数分析 15

3.3.4 水化数分析 17

3.3.5 水合壳层水分子的氢键分析 18

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

参考文献 22

致谢 25

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 膜应用简介

随着人类的工业化和城市化，人类的居住环境愈发得为环境问题所困扰，其中最突出的问题要数水污染问题。如何高效地处理重工业产生的废水和不宜饮用的硬水在此背景下被提上了日程，而膜分离技术的出现给予了人们解决水污染问题的高效手段。

膜是允许选择性质量传递的薄层屏障，并且通常是由压力、电位、浓度或温度梯度驱动的许多分离过程的基础^[1,2]。膜分离具有模块化，可扩展，紧凑性和高能效性等优点，在能源，水，食品，生物技术和化学等相关处理中已经被普遍应用^[3]。目前主要应用领域包括海水淡化，天然气净化，空分制氮的生产，血液透析，生物处理，溶剂和石油化学分离以及超纯水的生产。除了分离之外，膜可用于燃料电池，药物输送，生物/化学传感器以及混合过程的能量收集。^[4]。

1.1.2 常用的离子分离膜技术

1. 类金刚石分离膜（DLC）

类金刚石分离膜由碳原子sp3杂化混合着sp2杂化形成，空间上呈现网状的三维结构。一方面，由于稳定的化学性质和极佳的物理机械强度，类金刚石分离膜十分适合应用于有机溶剂的分离，但另一方面，高昂的制造成本亦限制了其应用，一般采用化学沉降法（CVD）制得。

1. 碳纳米管分离膜

碳纳米管于1991年由日本科学家制得，其出色的分离性能很快引起科学家的关注。目前制造的碳纳米管的长度可达厘米级，一般管径在1~100 nm之间。分子在碳纳米管内部因其光滑的内壁而平滑移动，传输阻力相当小。但是目前因为制备具有高密度垂直排列结构的碳纳米管阵列薄膜十分得困难，碳纳米管分离膜仍处于理论和实验阶段^[6]，距离真正的应用还有一定的距离。

1.1.3 钙钠离子分离的最新进展

关于K /Na 离子体系的石墨烯分离早已被发表。Zhongjin He, Jian Zhou, Xiaohua Lu等人使用分子动力学模拟，设计出了处于石墨烯片中含有三个羧酸根基团的小孔，其可以用于分离Na 和K 这两种具有非常相似性质的离子，并可根据电压的变化呈现不同的离子选择性^[7]。

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