基于ReaxFF力场的二羟甲基脲缩聚物反应分子动力学模拟研究

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衡量缓/控释肥肥效的一个重要指标是养分的释放,其主要指通过溶解、水解、降解等使养分由化学物质转变成植物可直接吸收利用的有效形态的过程,提高养分释放速率、促进作物对养分充分吸收有助于肥效的提高。养分的释放与缓/控释肥的降解机理密切相关,因而对缓/控释化肥降解机理的研究已经成为探索其释放规律的一个重要方面。本文采用基于ReaxFF力场的反应分子动力学(RMD)模拟方法,以二羟甲基脲缩聚物为研究对象,研究了纯、含水和含氧体系下二羟甲基脲缩聚物降解的反应机理,测定了重要产物的热力学参数,以期为缓释肥的配方设计和使用提供理论指导。首先对多条纯二羟甲基脲缩聚物分子链体系在恒温3000K下进行降解RMD模拟,发现体系中产生的主要物质有NH3、CO2、CHNO和H2O等,其中NH3和H2O的数目最多。为了进一步探究产物的产生机理,对单个分子链进行升温模拟,得到了纯二羟甲基脲缩聚物降解的反应机理,发现其降解过程主要可以分为五个阶段:第一个阶段为分子链结构的重排,主要为C=O基团夺取临近N上的H,C-N单键转变为C=N双键结构;第二个阶段为C-O键的无规断裂,并产生C3H7N2O2;第三个阶段产生了大量的CH2O和含碳小分子碎片(C2H5N2O)等;随着温度的升高,体系中的C-N键活化,并开始断裂,产生了CH2N2O、CH3N和CHNO等物质;第四阶段为水分子的产生,由分子碎片上的-OH和-H结合生成的;第五个阶段为小分子物质的产生,主要有NH3和CO2等。之后计算了重要产物CH2O和NH3的反应活化能,分别为16.73kJ/mol和47.25kJ/mol。此外,还探究了水分子和氧气对二羟甲基脲缩聚物降解的影响。在含水体系中发现,水分子在反应初期抑制了C-O键的断裂,使得CH2O的反应活化能增大为20.03kJ/mol,后期又促进了C-N键的断裂,产生了大量的NH3,且其反应活化能为40.25kJ/mol,低于纯体系的,可见水分子促进了分子链的断裂。而在含氧体系中,由于氧分子的作用使得NH3的数目大大减少,含氧体系的降解机理主要分为四个阶段,第一个阶段为-CH2-的氧化,主要指氧气分子进攻弱的C-H键,使得C-H键断裂,临近的C-N单键转变为C=N双键,第二个阶段和第三个阶段与纯体系的相同,第四个阶段为小分子的生成阶段,与纯体系和含水体系不同,主要生成了CHNO和H2O。CH2O和CHNO的反应活化能分别为18.07kJ/mol和28.77kJ/mol,明显低于含水体系的,说明氧气的存在促进了二羟甲基脲缩聚物的降解。本文通过模拟不仅揭示了不同体系下二羟甲基脲缩聚物的降解机理,更对其降解产物进行了分析,以期为缓释肥料的配方设计和使用提供理论指导。
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