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東南大學能源與環境學院Muxing Zhang等--電場促進納米多孔氧化石墨烯膜分離H2O/O2的分子動力學研究
       外部刺激例如電場的應用,可以促進氣體分離。采用分子動力學(MD)模擬方法分析了動態電場促進H2O/O2氣體分子在雙層納米多孔氧化石墨烯膜上的分離過程。計算結果表明,H2O分子在外電場為10-4 V·Å-1的情況下,氣體滲透率提高到3.26 x 103 mol·m-2·s-1,與O2分子相比,選擇性提高了1.44,在沒有外加電場的情況下為0.33。O2分子的分離性提高到1.44,其在無外電場時為0.33。通過研究電場強度對相互作用能的影響,闡明了促進H2O/O2分離的機理。電場抑制了H2O分子和H2O膜之間的氫鍵相互作用。在電場作用下加速解吸會使膜上有更多的吸附位點,從而促進H2O分子的滲透。
 
 
圖1. (a) C8O2(OH)2重復單元、(b)納米多孔GO的正視圖、(c)氧化官能團分布的側面圖、和(d)錯位孔隙的2NPGO的分子構型(黃色:H原子,紅色:-OH中的O原子,藍色:O = O中的O原子,灰色:C原子)。
 
 
圖2. 模擬系統盒子中含有H2O和O2分子的混合物。
 
 
圖3.無電場時(左a-d)和電場為10-4 V·Å-1時(右e-h)混合氣體滲入2NPGO的快照。
 
 
圖4.無電場時(虛線)和電場為10-4 V·Å-1時(實線)H2O/O2的濃度分布。
 
 
圖5. H2O(左)和O2(右)分子在不同電場下的均方位移(MSD)。
 
 
圖6. 不同電場強度下H2O和O2的擴散系數變化規律。
 
 
圖7. 外加電場為10-4 V·Å-1時,吸附層(左)和滲透側(右)的氣體分子數量的時間演變。
 
 
圖8. 不同電場時氣體分子的滲透速率和H2O/O2的分離因子。
 
 
圖9. H2O/O2分子與膜之間的相互作用勢與電場強度的關系。
 
 
圖10. H2O分子滲透2NGPO膜。
 
         相關研究成果由東南大學能源與環境學院Muxing Zhang等人于2022年發表在Journal of Molecular Liquids (https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.118634)上。原文:Molecular dynamics study on electric field-facilitated separation of H2O/ O2 through nanoporous graphene oxide membrane。

轉自《石墨烯研究》公眾號

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