氯化镧溶液在纳米孔中输运的分子动力学研究

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纳米孔主要分为固态纳米孔和生物纳米孔。固态纳米孔的成本相对较低,并且其机械性能更加优异,因此它在纳流体器件设计上与离子输运的分子动力学模拟上更具优势。本文重点分析研究了氯化镧溶液里的离子输运反应过程,以MD模拟仿真的模式,分析研究了影响氯化镧溶液在纳米孔里输运的主要因素。主要研究内容和结论如下所示:氯化镧溶液浓度对溶液离子电流的影响。对于部分单价和二价离子,离子电流一般随着溶液浓度的增加而增加,并逐渐趋于平缓,而对于氯化镧溶液,随着溶液浓度的不断提高,离子电流的大小会先增加,当溶液浓度达到一定大小后,溶液的电流会达到峰值并不断减少。纳米孔的壁面电荷对氯化镧溶液中离子迁移的影响。在纳米孔中,表面电荷始终在离子传输中起重要作用。电荷之间的静电相互作用是重要的远程相互作用。在工作中,我们研究了表面电荷对溶液的影响,该溶液包括三价离子(La3+)通过直径3 nm的纳米孔传输。使用分子动力学模拟,我们研究了匀强电场驱动下的1 M浓度氯化镧水溶液通过壁面被正电荷修饰的纳米孔的离子迁移行为。在MD中,随着浓度的增加,纳米孔中的离子电流开始增加,达到离子电流的最大值,然后在高溶液浓度中减小。此外,通过调节纳米孔的表面电荷,浓度-电流曲线的峰值电流有规律地出现在不同浓度下。随着溶液浓度的增加,流经表面正电荷更多的纳米孔的阳离子电流较早达到最大值,而阴离子电流则较晚达到最大值。通过适当地改变纳米孔的表面电荷,我们可以使特定浓度下的离子传输能力最大化。纳米孔结构对氯化镧溶液中离子迁移的影响。为了研究纳米孔本身对于氯化镧溶液输运的影响,本文进行了氯化镧溶液在水盒子(bulk)和3nm直径的纳米孔中的对照模拟研究,研究表明纳米孔本身并不是氯化镧溶液离子电流先增加后减少的原因,在水盒子的模型中,离子在电场力驱动下,沿着z轴方向运动,统计离子电流在不同浓度下的大小,模拟的结果表明浓度-电流曲线同样会出现转折点。此外,统计了氯化镧溶液在水盒子和纳米孔中形成离子对的情况,结果发现在纳米孔中,氯化镧溶液中形成离子对的比例更高,并且随着氯化镧溶液的浓度越来愈高,离子对的成对比例差异也越来越大,因此在高浓度下,氯化镧溶液在纳米孔中会显著含有更高的离子成对比例。
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