论文总字数：19293字

摘 要

生物通道既能具有高通量也具有高选择性，同时生物通道以极少的能量展现出了膜分离过程所不可企及的效率。科学家通常以生物通道的作用机制作为理想的膜技术，模仿生物通道制备膜材料，期待能研究出与生物通道同样高效的膜。生物通道的低能耗、高选择性和高通量也常被研究者作为膜分离过程的极限。在当今能源短缺的世界大环境下，如何利用有限的能源，高效地进行膜分离，以发挥膜技术在能源、环保、医药和生物等领域的作用。

电场是膜分离过程中常见的推动力，如电渗析过程利用半透膜的选择透过性来分离不同种类的流体（如离子），溶液中的带电粒子受到电场的作用，进入膜孔道并与之相互作用。生物电场也是生物膜过程中常见的推动力，如生物离子通道中离子的运动就是受到来自电场的作用等。

本文是以分子动力学模拟为手段，以石墨烯为孔道模型，在电压作用下，通过调节电场强度以及改变石墨烯孔的尺寸，研究锂、镁离子的传递行为，探索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；锂、镁离子；分离

Graphene powder is lithium, magnesium ions Molecular Dynamics Study

Abstract

Biological channels as well as a high-throughput also has high selectivity, also biological channels with little energy show the efficiency of membrane separation process unattainable. Scientists usually take the role of biological channel as an ideal membrane technology, the preparation of membrane materials to mimic biological channels, looking forward to study the same high efficiency of the membrane and biological channels. The low energy consumption, high selectivity and high flux of the biological channels are often the limit of the membrane separation process. In today's energy shortage of the world environment, how to use the limited energy, high efficiency of membrane separation, in order to play the role of membrane technology in the field of energy, environmental protection, medicine and biology.

Electric field is the motive force of membrane separation process in common, such as electrodialysis process using semipermeable membrane permeability to separate different kinds of fluid (such as ion), solution of charged particles under the electric field, enter the membrane pore and interact with. Biological electric field is also a common driving force in the process of biological membrane, such as the movement of ions in the ion channel is affected by the action of the electric field.

This paper is to molecular dynamics simulation as a means, to graphene channel model, under voltage, by adjusting the electric field intensity and the change of the graphene pore size, transport of lithium and magnesium ions, explore fluid in under the influence of the interfacial properties of the transmission mechanism.

Key words：Graphene；Lithium magnesium ions；Molecular simulation；Separation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究的背景 1

1.1.1 石墨烯膜的重要性 1

1.1.2 石墨烯膜的分离进展 1

1.2 基于石墨烯膜的模型 2

1.2.2 石墨烯的简介 2

1.2.3 石墨烯分离锂镁离子的研究进展 2

1.3 课题的提出以及研究内容 4

1.2.1 课题的提出 4

1.2.2 研究内容 5

第二章 理论基础 6

2.1 计算机分子模拟简介 6

2.2 分子动力学模拟的理论基础 6

2.2.1 分子动力学模拟 6

2.2.2 分子力场概述 7

2.2.3 MD模拟中的系综 7

2.2.4分子动力学模拟中初始条件的设定 7

2.3 Gromacs软件简介 8

第三章 不同孔径的石墨烯用于Mg² /Li 分离的研究 9

3.1 引言 9

3.2 模拟方法 10

3.2.1模拟体系的建立 10

3.2.2力场参数的选择 11

3.3 结果与讨论 12

3.3.1 通量和选择性的分析 12

3.3.2 离子-水径向分布函数分析 14

3.3.3 水化数分析 16

3.3.4 离子轴向的数密度分析(0.0表示的都是石墨烯孔的位置） 17

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 24

第一章 绪论

1.1 研究的背景

1.1.1 石墨烯膜的重要性

自从20世纪60年代以来，由于反渗透(RO)技术的快速发展，海水淡化已经在能源效率、可靠性和经济上的取得重大进步^[1,2]。然而，反渗透过程的核心半透膜仍然依赖于相同的聚酰胺复合薄膜(TFC)设计的时候是在三十年以前。因此，近几十年来，反渗透膜技术的主要改进(在上世纪70年代发展的交联芳香TFC膜，以及在上世纪90年代增强形态控制和最近纳米添加剂)在很大程度上是渐进而非革命性。因此，反渗透膜需要巨大的空间来改善。现今最好的TFC膜仅有1.5–2相比于20年前的是更具有渗透性，但是，他们降低其中氯的含量，不易消毒，使膜容易受到污染。对于二十一世纪的生活，海水淡化是一个挑战^[3]，所以在反渗透膜技术方面需要一个巨大的变化。石墨烯作为一种“顶级”反渗透膜。它是强度高的，比TFC RO膜聚酰胺活性层更薄更具有化学韧性，并且研究人员已经开始对这种新材料进行研究，期待其能成为新一代的RO膜^[4-5]。在同一时间，在以石墨烯为基础的海水淡化所涉及的物理和化学现象需要经过系统的研究，以充分利用石墨烯的潜力。

1.1.2 石墨烯膜的分离进展

研究表明，多相界面的传递方式与传统材料完全不同的原因是因为纳米材料的出现，可以通过新材料的介入，在非平衡热力学原理基础上，在不提高温度压力的温和条件下，通过调控纳微尺度的传递行为，强化生物甲烷过程，实现速率和效率的统一。在研究过程中，其他的模型发展有一定成效，例如碳管等。但是对于纳米石墨烯RO膜来说，在过去的几十年中，由于在计算材料科学和基于仿真的研究领域显著的进步，它正成为可能回答一些基于石墨烯的RO膜发展的突出问题。原子水平的模拟有助于促进在实验室中石墨烯膜功能的发展，通过预测材料的设计和中尺度的建模技术以及宏观上正在使用的对其带来的性能优势和可能出现在石墨烯RO膜的发展中的挑战作出了更深入的理解。

1.2 基于石墨烯膜的模型

1.2.2 石墨烯的简介石墨烯是一种二维材料，由六边形(即蜂窝)共价键结合的碳原子晶格构成的(见图1-1)。虽然它是石墨的基本构建块，对它的研究始于20世纪中期^[6]，但是在过去十年的二维形式中，石墨烯已经被隔离在独立的一系中^[7]。自其被研究以来，研究人员首次发表就获得了2010年的诺贝尔奖，在超过45000份以发表的文章被提及到。

图1-1石墨烯晶格

请支付后下载全文，论文总字数：19293字