二维纳米孔道中盐溶液微观结构与离子输运调控的分子模拟研究
批准号:
22078104
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
李理波
依托单位:
学科分类:
化工热力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李理波
中文摘要
近年新兴的二维纳米孔道(简称2D孔道)内盐溶液与孔道壁作用强烈,产生特定溶液微观结构,对离子输运影响显著(限域效应、入口效应等),若能合理调控可广泛应用于盐差发电、超级电容、海水淡化、离子筛分等领域。为设计高性能2D孔道,亟需通过分子模拟理解其输运机理;但目前模拟力场仍不够准确,输运机理阐释尚不深入。针对这些问题,本项目拟以密度泛函理论(DFT)计算为基础,开发可准确模拟溶液中离子-2D孔道相互作用的力场;继而在分子动力学(MD)模拟中通过分析离子受力、能量等阐明孔道中溶液微观结构调控离子输运的机理,还将探究孔道材料、结构、外场甚至不同力场参数等模拟变量对离子输运的影响机制;从中提炼深刻、普适的2D孔道离子输运规律(如同体相盐溶液的Stokes-Einstein、Modified Debye-Huckel公式)。研究成果对2D孔道溶液离子输运研究有重要学术意义,可为其广泛应用奠定理论基础。
英文摘要
The emerging 2D nanochannels, built from 2D materials, have shown supre performance for applications such as super-capacitor, osmotic power generation, desalination and ion sieving etc. These could be attributed to that, the electrolyte solution in the nanochannels interact significantly with the channel walls (2D materials), which leads to certain solution microstructure and regulate the ion transportation, e.g. the confinement effect, entrance effect etc. It is critical to understand the aquoues ion transportation mechanism in 2D nanochannls with molecular simulation for designing 2D nanochannels with even higher performance. However, relevant studies are currently at the very begining stage, and a range of challenges are hindering their development: improving the accuracy of the employed force fields; studying systematically and thoroughly; particurlly, universal and powerful scientific rules are very scarce, etc. This project will develop force field based on density functional theory (DFT) calculations, which could accurately simulate the ion-2D material interactions in aqueous solution. It will simulate ion transportation in various 2D nanochannels by systematically varying the variable of the simulation systems: the 2D materials, the height of the nanochannel, the external field, and even employing different ion force fields. The project will elucidate how the 2D nanochannels regulate the ion transportation via the micro-structure of the electrolyte solutions. Furthermore, it will derive in-depth, universal and powerful equations for ion transportation in 2D nanochannels (think about the Stokes-Einstein, Modified Debye-Huckel equations for bulk electrolyte solutions). The results and insights gained from this project is of vital scientific significance for studying the aquoues ion transportation in 2D nanochannels, also will pave the way for the wide applications of 2D nanochannels.
近年新兴的二维纳米孔道(简称2D孔道)内盐溶液与孔道壁作用强烈,显著调控其中的水、离子输运,产生了很多新颖现象和优异性能,在盐差发电、超级电容、海水淡化、离子筛分等领域的应用前景不可估量。为进一步提高2D孔道的性能,推广其应用,亟需使用分子模拟手段厘清2D孔道盐溶液中水、离子调控输运的机制。本项目针对其中模拟力场不够准确,输运机理阐释尚不深入等问题,首先以量子化学(QC)计算结果及相关实验数据为基础,开发可准确模拟溶液中离子或水与2D孔道材料相互作用的力场。在此基础上使用分子动力学(MD)广泛模拟水、离子(Li+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-等)在石墨烯、MoS2、BN、C3N4等各种二维材料纳米通道溶液内的分布与输运行为,并深入分析它们输运时的受力与能量。进一步提炼出一系列2D孔道溶液中水、离子的输运规律,其中很多与体相溶液的规律迥异。例如:1、水在2D孔道里xy(孔道平面)方向的扩散与其z(孔道高)方向波动耦合,导致其自扩散率(xy方向)与z方向的波动线性相关。与之对照,体相溶液里水在空间三个方向(xyz)上的运动等同,但不耦合。2、2D孔道溶液中的水呈层状分布,这些水层对离子输运有明显摩擦,导致其中的离子自扩散率与离子-水层距离线性相关,进一步借助HS结构、能量、力自相关函数等分析从力学本质上揭示了该线性关系的物理机制。与之对照,体相溶液可视为均匀介质,其中离子受的摩擦处处等同。此外还验证了一些体相溶液的输运规律在2D孔道里仍然成立,并揭示了它们成立的物理机制。例如1、Nernst-Einstein方程,即离子的电迁移率与自扩散率成正比2、溶液中离子的自扩散率与其同位素质量的幂律关系(power law)等。本项目执行期间在Nat. Commun., Adv. Mater., Nano. Lett., Chem. Eng. Sci. 等国际重要学术期刊发表SCI论文21篇,申请国家发明专利4项,其中授权1项;研究成果对2D孔道溶液离子输运研究有重要学术意义,可为其广泛应用奠定理论基础。
二维材料纳米孔道气体输运的分子模拟研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:15.0万元
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批准年份:2024
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负责人:李理波
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依托单位:
二维材料纳米孔道离子输运的多尺度模拟研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2019
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负责人:李理波
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依托单位:
新型Field-SEA多尺度溶剂模型的开发与应用研究
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批准号:21506066
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:21.0万元
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批准年份:2015
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负责人:李理波
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依托单位:
国内基金
海外基金