甲烷水合物的形成機(jī)制及水在石墨烯表面潤濕性的分子動力學(xué)模擬.pdf

1、在科學(xué)技術(shù)和計算機(jī)發(fā)展迅速的21世紀(jì)，分子模擬在各科學(xué)領(lǐng)域所發(fā)揮的作用越來越大，利用分子模擬可以對實驗過程進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，并對實驗結(jié)果進(jìn)行有效的預(yù)測和補(bǔ)充。本論文采用分子動力學(xué)模擬（MD）方法，針對甲烷水合物的合成機(jī)理及石墨烯的表面潤濕性，開展了一系列的理論計算研究，論文主要包括兩個研究內(nèi)容：一是甲烷水合物的生長及抑制機(jī)理的分子動力學(xué)模擬；二是水在石墨烯表面的潤濕性質(zhì)的分子動力學(xué)模擬。
　　在論文的第一部分中，我們運(yùn)用分子動力學(xué)模

2、擬對甲烷水合物的生長過程進(jìn)行了模擬探究，模擬過程中，主要考慮兩個因素的影響：一是甲烷的濃度，二是考慮海水中常見的離子如 Na+、Mg2+和 Cl-。構(gòu)建模擬所需的五個初始結(jié)構(gòu)，每一個結(jié)構(gòu)模型的混合相中含有不同濃度的甲烷分子，水分子采用的是TIP4P-EW模型，甲烷分子采用OPLS-AA模型，而為了描述水分子和甲烷分子之間的相互作用，我們引入了Lennard-Jones12-6勢。為了得到合理的結(jié)果，對于每一個初始模型，整個模擬過程分別在

3、特定的溫度276.0 K和不同的壓強(qiáng)（15.0，25.0，35.0，45.0 MPa）條件下進(jìn)行，得到各自的軌跡文件。在對軌跡文件進(jìn)行分析時，固液界面起到了很重要的作用，論文中用角度序參數(shù)來確定界面的位置，根據(jù)界面位置的變化可以知道水合物厚度隨時間的變化，得出結(jié)論：當(dāng)體系中混合物相甲烷的摩爾濃度與結(jié)構(gòu)I型水合物中甲烷的摩爾濃度接近時，水合物的生成速率最大。由于水合物實際存在的環(huán)境大多是海水中，而海水中含有大量的離子，在此我們對有離子存在

4、時甲烷水合物的生長過程進(jìn)行簡單地模擬。依據(jù)海水中幾種主要離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，我們在之前的初始模型中加入鈉離子、鎂離子和氯離子，然后按照上述過程進(jìn)行模擬，對結(jié)果進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)加入離子后，對應(yīng)體系的水合物生長速率明顯減小，即離子的存在會抑制水合物的生長。本實驗的研究對于我們開發(fā)利用甲烷水合物這一新能源有較重要的意義和參考價值。
　　在論文的第二部分中，我們運(yùn)用分子動力學(xué)模擬的方法對水在石墨烯表面的潤濕性質(zhì)進(jìn)行了模擬探究，模擬過程中，在

5、一定范圍內(nèi)不斷變化石墨烯中碳碳鍵的鍵長，觀察水滴在石墨烯表面接觸角的變化情況。構(gòu)建含有不同碳碳鍵長石墨烯的初始模型，水分子采取TIP4P-EW模型，模擬過程中同樣引入Lennard-Jones12-6勢來描述石墨烯中的碳原子和水分子中的氧原子之間的相互作用，在計算體系中水滴和石墨烯的相互作用時，石墨烯界面固定以簡化計算提高效率。為了得到接觸角的相關(guān)信息，我們對分子動力學(xué)模擬的軌跡文件進(jìn)行分析，通過平衡狀態(tài)時水滴的密度分布情況勾畫出水滴的