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基于分子动力学模拟探究乙醇水混合物在石墨烯纳米通道中的行为及机制

一、引言

1.1研究背景与意义

乙醇作为一种重要的化工原料和清洁能源，在化工生产、燃料等领域有着广泛应用。在实际生产过程中，乙醇常与水形成混合物，由于乙醇与水会形成共沸物，使得二者的分离成为一项具有挑战性的任务。传统的蒸馏方法在分离乙醇-水混合物时，存在能耗高、成本大等问题，这不仅限制了生产效率的提升，也增加了企业的运营成本。因此，开发高效、节能的乙醇-水混合物分离技术，对于降低生产成本、提高资源利用率以及推动相关产业的可持续发展具有至关重要的意义。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优异的力学性能、电学性能和热学性能。其独特的二维原子结构使其能够构建具有精确纳米级尺寸的通道，这些纳米通道为物质的选择性传输提供了可能，在分离领域展现出巨大的应用潜力。通过精确控制石墨烯纳米通道的尺寸、形状和表面性质，可以实现对不同分子的高效分离。

分子动力学模拟作为一种重要的研究手段，能够在原子和分子尺度上对物质的行为进行深入研究。它通过求解牛顿运动方程，模拟分子体系的运动轨迹，从而获得体系的各种微观性质和宏观性质。在研究乙醇-水混合物与石墨烯纳米通道的相互作用时，分子动力学模拟可以提供实验难以获取的微观信息，如分子的吸附位置、扩散路径、界面处的相互作用力等。这些微观信息对于深入理解分离机制、优化分离过程以及设计高性能的分离材料具有重要的指导作用。通过分子动力学模拟，能够在理论层面上探究不同因素对乙醇-水混合物在石墨烯纳米通道中行为的影响，为实验研究提供理论依据，减少实验的盲目性，加速新型分离技术的开发进程。

1.2国内外研究现状

国内外众多学者运用分子动力学模拟对乙醇-水混合物在石墨烯纳米通道中的行为展开了研究。Zhao等通过分子动力学模拟，研究了乙醇-水混合物在狭缝形石墨烯纳米孔中的行为，发现混合物在受限空间内形成层状结构，且在较大孔径时会出现偏析现象，乙醇分子优先吸附在石墨烯表面，这种微相分离行为源于固-液和液-液相互作用的竞争效应，同时揭示了混合物在石墨烯孔内的杂散扩散机制，由于乙醇-水缔合作用，水和乙醇通常表现出相似的扩散机制，在较大纳米孔中从短时间亚扩散转变为长时间菲克扩散，在较小孔（7埃）中，乙醇和水在初始时表现出抑制的单文件扩散行为，随后呈现亚扩散或单文件扩散行为。

Dai等利用分子动力学模拟研究了乙醇-水混合物在石墨烯基纳米通道中的界面流动阻力，考察了狭缝孔宽度和混合物组成对摩擦系数的影响，模拟结果表明，含乙醇溶液体系的流动摩擦系数对石墨烯狭缝孔径敏感，在7-10埃纳米缝隙中，混合物组成对摩擦系数有显著影响，而在较大孔径时，摩擦系数的组成依赖性减弱，并通过定性理论分析揭示了混合物摩擦行为的分子起源，即乙醇-壁相互作用对混合物摩擦系数起主要作用，混合物摩擦系数的变化行为由界面乙醇密度和乙醇分子感受到的势能垒共同作用引起。

南京工业大学杨晓宁、徐志军课题组通过分子动力学模拟研究了乙醇-水混合物在氧化石墨烯层状结构纳米通道中的竞争性插入/吸附行为，模拟结果表明，水和乙醇都能自发插入GO通道，且无高度选择性的夹层插入，对于GO纳米通道揭示了两种插入机制，一般来说，较大的乙醇比水更容易渗透，其机理可能与氧化石墨烯与乙醇分子的表面亲和力增强有关，然而，对于具有高氧化度的较小孔，由于孔筛作用，乙醇的插入受到限制，实验还分析了氧化石墨烯孔内乙醇-水混合物的浓度、封闭结构和扩散动力学。

尽管已有研究取得了一定成果，但仍存在一些不足。部分研究仅考虑了单一因素对乙醇-水混合物在石墨烯纳米通道中行为的影响，而实际体系中往往多种因素相互作用，对这些复杂相互作用的研究还不够深入。此外，目前对于石墨烯纳米通道表面修饰以及与其他材料复合形成的复合纳米通道对乙醇-水混合物分离性能的影响研究相对较少，缺乏系统的研究和深入的理解。同时，实验与模拟的结合还不够紧密，模拟结果缺乏充分的实验验证，导致研究成果在实际应用中的转化存在一定困难。基于此，进一步深入研究乙醇-水混合物在石墨烯纳米通道中的行为，揭示其内在机制，对于推动石墨烯基分离材料的发展和应用具有重要的理论和现实意义，这也正是本文的研究方向所在。

1.3研究内容与方法

本文主要通过分子动力学模拟的方法，深入研究乙醇-水混合物在石墨烯纳米通道中的行为及影响因素，具体内容如下：

吸附行为研究：探究乙醇和水分子在石墨烯纳米通道表面的吸附位置、吸附量以及吸附能，分析不同孔径、混合物组成对吸附行为的影响，揭示吸附过程中的微观机制。

扩散行为研究：研究乙醇和水分子在石墨烯纳米通道内的扩散系数、扩散路