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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 分子動(dòng)力學(xué)方法探究[Hmpy+] [Tf2N-]的溶解特性
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 數(shù)理
- 簡(jiǎn)介：
- 采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬CO2在離子液體[hmpy][tf2n]中的高壓動(dòng)力學(xué)特性，使用gromacs模擬軟件。
- 詳細(xì)介紹：
- 在室溫(300K) 和1 大氣壓下用分子動(dòng)力學(xué)仿真來(lái)研究[hmpy+] [Tf2N-]離子液體的微觀特性。徑向分布函數(shù)和不同粒子間的三維分布函數(shù)可以展示結(jié)構(gòu)性質(zhì)，而不同離子的均方位移可以說(shuō)明系統(tǒng)的液態(tài)性質(zhì)，也被詳細(xì)研究。我們的結(jié)果與一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常符合。離子液體是很有前景的捕捉和分離大氣污染物的工具，這項(xiàng)工作是對(duì)離子液體處理能力的基礎(chǔ)性理論學(xué)習(xí)。 當(dāng)CO2 溶解在離子液體中，它的偏摩爾體積的觀測(cè) 值比在其他大部分溶劑中都小得多。.本文中我們從原子細(xì)節(jié)上探索，并且解釋不同壓強(qiáng)下CO2 溶解在[Hmpy+][Tf2N-]。我們也觀察了CO2 與離子液體邊界處的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)。我們發(fā)現(xiàn)在各種壓強(qiáng)下， [Hmpy+][Tf2N-]離子液體結(jié)構(gòu)都是同樣的。但是當(dāng)壓強(qiáng)接近并且超過(guò)150bar 時(shí)，CO2 的性質(zhì)發(fā)生 很大改變，尤其是在界面處，可能是發(fā)生了相變。 CO2 主要分布在 C7 和 N1 原子周圍, 與[Tf2N-]陰離子的分布互補(bǔ)。離子液體的性質(zhì)變化很小，但是在高壓下可能處于玻璃態(tài)。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 1 科學(xué)目標(biāo)：運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)大氣污染物在不同類型離子液體中的溶度的微觀機(jī)制進(jìn)行研究，從分子水平上揭示離子液體的結(jié)構(gòu)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，給出典型離子液體的結(jié)構(gòu)組成與其污染物溶解性能之間的定量關(guān)系。 2人才培養(yǎng)：通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，訓(xùn)練學(xué)生使用計(jì)算機(jī)模擬方法建立物理模型研究與生活密切相關(guān)的化學(xué)物理問(wèn)題。在實(shí)際科研工作中培養(yǎng)學(xué)生檢索文獻(xiàn)、自主學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)程序、撰寫論文、分工合作等方面的的能力。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 我們所設(shè)想的是在一個(gè)高溫高壓的周期性環(huán)境中通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬污染氣體在離子液體附近的結(jié)構(gòu)和分布特征。運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算模擬方法，從理論上設(shè)計(jì)[Hmpy][Tf2N]和其他不同的離子液體，研究它們對(duì)不同的大氣污染物（如CO2等）的溶解特性。通過(guò)溶解過(guò)程的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)分析和物理化學(xué)性質(zhì)分析，總結(jié)離子溶劑對(duì)不同污染物的溶解特性的基本規(guī)律。期望為實(shí)驗(yàn)開(kāi)展提供理論依據(jù)，并解釋一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 離子液體具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、低揮發(fā)性、良好的溶解能力、較佳的萃取分離效果及可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，人們希望能夠使用離子液體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)溶劑進(jìn)行化工生產(chǎn)。目前，離子液體應(yīng)用于環(huán)境污染物的分離分析方面研究還處于起步階段，是研究的熱點(diǎn)。由于離子液體的，離子溶液的種類比較繁多，其化學(xué)和物理特性也各有區(qū)別。這樣在針對(duì)不同污染物的處理過(guò)程中需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，成本較高。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 當(dāng) CO2 溶解在離子液體中，它的偏摩爾體積的觀測(cè)值比在其他大部分溶劑中都小得多。.本文中我們從原子細(xì)節(jié)上探索，并且解釋不同壓強(qiáng)下CO2 溶解在[Hmpy+][Tf2N-]。我們也觀察了CO2 與離子液體邊界處的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)。我們發(fā)現(xiàn)在各種壓強(qiáng)下， [Hmpy+][Tf2N-]離子液體結(jié)構(gòu)都是同樣的。但是當(dāng)壓強(qiáng)接近并且超過(guò)150bar 時(shí)，CO2 的性質(zhì)發(fā)生很大改變，尤其是在界面處，可能是發(fā)生了相變。CO2 主要分布在C7 和N1 原子周圍, 與[Tf2N-]陰離子的分布互補(bǔ)。離子液體的性質(zhì)變化很小，但是在高壓下可能處于玻璃態(tài)。
獲獎(jiǎng)情況
- The micro-properties of [hmpy+] [Tf2N-] ionic liquid: a simulation study," VOL 1 - ADVANCES ON SPACE WEATHER,METEOROLOGY AND APPLIED PHYSICS : 339-343 2010 PROCEEDINGS OF THE 2010 INTERNATIONAL CONFERENCE ON APPLICATION OF MATHEMATICS AND PHYSICS CPCI " The structure and dynamics of CO2 dissolved in [Hmpy+][Tf2N-]: a simulation study in different Pressures" SCI (To Appear on Molecular Physics) 省物理科學(xué)與實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)
鑒定結(jié)果
- 暫無(wú)
參考文獻(xiàn)
- [1] Jairton Dupont, Roberto F. de Souza, and Paulo A. Z. Suarez., Ionic Liquid (Molten Salt) Phase Organometallic Catalysis., Chem. Rev. 2002, 102, 3667-3692 [2] Jonathan G. Huddleston, Ann E. Visser, W. Matthew Reichert, Heather D. Willauer,Grant A. Broker and Robin D. Rogers, Characterization and comparison of hydrophilic and hydrophobic room temperature ionic liquids incorporating the imidazolium cation., Green Chemistry, 2001, 3, 156-164 [3] Frank Endres and Sherif Zein El Abedin., Air and water stable ionic liquids in physical chemistry., Phys. Chem. Chem. Phys., 2006, 8, 2101-2116 [4] Christopher Hardacre, John D. Holbrey, Mark Nieuwenhuyzen and Tristan G. A. Youngs, Structure and Solvation in Ionic Liquids., Acc. Chem. Res. 2007, 40, 1146–1155 [5] Carlos Pinilla, Mario G. Del Po ′polo, Ruth M. Lynden-Bell and Jorge Kohanoff, Structure and Dynamics of a Confined Ionic Liquid. Topics of Relevance to Dye-Sensitized Solar Cells. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 17922-17927
同類課題研究水平概述
- 室溫離子液體是一種在液體狀態(tài)的鹽。在某些情況下,室溫離子液體可以指在鹽的熔點(diǎn)以下一些任意的溫度。離子液體具有許多優(yōu)點(diǎn)：1 其極低的蒸汽壓力，使他們具有環(huán)境友好性和不易揮發(fā)的特點(diǎn)因而不會(huì)造成很大的污染，2 不易燃燒的特點(diǎn)，優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和寬泛的液相區(qū)。3 對(duì)于很多的極性和非極性液體有著良好的溶解性。與水或有機(jī)溶劑的 溶解性隨離子液體陽(yáng)離子側(cè)鏈的長(zhǎng)短，陰離子的不同而變化。離子液體可以作為官能酸，堿或配體，并已在制備瀝青時(shí)候作為前驅(qū)鹽。離子的溶解性和液相選擇長(zhǎng)度使得它適合各種各樣的萃取并已被廣泛地研究和應(yīng)用。 從Waseem 的文章來(lái)看，隨著壓強(qiáng)的增大，[hmim][Tf2N]和[hmpy][Tf2n]中CO2 的溶解度非常小。亨利常數(shù)分別是31.6 ± 0.2 bar 和32.8 ± 0.2 bar at 在25 攝氏度。 從Anderson 的文章來(lái)看，純凈的氣體在咪唑類和吡啶基類離子液體的溶解度已經(jīng)被測(cè)出。氣體的溶解度與壓強(qiáng)成正比，與溫度成反比。 從Xuhui Huang 和其小組的試驗(yàn)中我們受到啟發(fā)，是否在高壓下[hmpy][Tf2N]與CO2 的體系會(huì)發(fā)生什么變化，從分子動(dòng)力學(xué)的角度，我們研究了在room temperature 下從常態(tài)到超臨界態(tài)下CO2/[hmpy][Tf2N]的兩相體系是否會(huì)發(fā)生變化，從結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)角度給出了解釋。 目前關(guān)于[hmpy][tf2n]這種例子液體相關(guān)的文獻(xiàn)僅有3篇 ，包括我們的在內(nèi)。除了我們的文章其余都是描述其實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的，并沒(méi)有從微觀進(jìn)行分析
