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吸附与扩散过程的分子模拟

张伟涛  
【摘要】: 吸附和扩散过程通常难以用实验方法来观测,用分子模拟手段可以在原子、分子水平上模拟分子的结构和行为,从而揭示吸附和扩散现象的机理。本文采用量子力学方法模拟研究了SiHCl3氢化体系气体在Si(111)面上的吸附,采用分子动力学模拟了无机盐在聚酰胺纳滤膜内的扩散以及甘氨酸在水中的扩散。 1、运用量子力学中密度泛函理论结合周期平板模型,计算了SiHCl3氢化体系中的气体在Si(111)面的垂直吸附能和吸附结构。发现SiCl4、SiHCl3在Si(111)衬底表面原子上的吸附结构不稳定,相比之下SiCl4、SiHCl3分子都容易吸附在电荷少的表面Si原子上。衬底对SiHCl3的吸附能大于对SiCl4的。SiCl4和SiHCl3分子断开一个Si-Cl键后更容易吸附在Si(111)面的悬挂键上。H2在Si(111)面两个不同位置的吸附能比较接近,HCl倾向于以H端吸附在电荷多的表面Si原子上。Si(111)面上,分子的垂直吸附能由大到小依次为HCl、H2、SiHCl3、SiCl4。 2、用分子动力学方法模拟了H2O、NaCl、KCl、Na2SO4、MgSO4、CaSO4在TMC/MPD纳滤膜中的扩散,并用聚类分析法计算了各分子在膜中的扩散系数。计算结果表明,H2O分子扩散系数远大于各阴阳离子的扩散系数,二价离子(Mg2+、Ca2+、SO42-)的扩散系数远小于一价离子(Cl-、Na+、K+)的扩散系数。对于体系中的阴阳离子,扩散系数由大到小依次为Cl-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42-。在分子水平上考察了高分子链上功能团对水分子运动的影响。发现水分子有向羧酸基(亲水基)运动的趋势,在由苯环形成的区域,水分子有远离该区域的趋势,该模拟情形与实际情况相符合。计算了TMC/MPD膜中TMC含量对H2O和KCl扩散系数的影响。计算结果表明,随着TMC含量的增加,H2O分子扩散系数先增大后减小,K+和Cl-离子的扩散系数随TMC含量变化并不明显。 3、用分子动力学方法模拟了甘基酸在水溶液中的扩散,并考察了步长对扩散系数模拟结果的影响。模拟结果表明,步长为5fs时,得到的扩散系数和实验值比较接近。在温度298K下,对0.25~1.25mol/L的甘氨酸水溶液扩散系数进行了模拟计算,并与实验数据进行对比,发现模拟值和实验值吻合较好。计算了0.75mol/L甘氨酸水溶液在283K~333K间的扩散系数,发现其扩散系数随温度增加而增大,与甘氨酸钾盐扩散系数的变化趋势一致。计算结果表明,可以用分子动力学模拟方法来求取甘氨酸水溶液的扩散系数,为工程设计提供参考数据。


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