离子液体[Bmim]Cl在水中PMF的分子动力学模拟

论文摘要

离子液体是一种仅由阴阳离子构成,室温下仍为液态的新型有机溶剂,因为其几乎不挥发,被视为“绿色溶剂”。近年来,其独特的性质引起了世界各国学者的广泛关注,尤其是在化学工程领域,被认为有望在诸多化工过程中取代传统的挥发性有机溶剂,为改善日益恶化的环境做出贡献。更重要的是,可以通过改变阴阳离子的组合方式根据需要设计其性质。但在实际应用过程中,既无必要也无可能完全依赖实验来完成耗费大量时间和费用的筛选。因此,采用分子模拟方法,在分子层面上研究离子液体的结构和特性之关系,具有重要意义。本研究着力于离子液体在水中的平均力位能（Potential of Mean Force,简称PMF）,辅以局部微观结构的分析,通过在模拟中有目的的改变势能函数研究其对平均力位能的影响。首先,我们以甲烷分子对在水中PMF的分子动力学模拟为例,用伞形抽样（Umbrella Sampling）和WHAM （Weighted Histogram Analysis Method）方法计算其平均力位能,并对计算细节和参数优化进行探讨。其次,研究了NaCl在水中的PMF,同时分析了用于表征局部微观结构的径向分布函数；此外,通过在模拟中改变离子的电荷,发现势能函数对PMF以及微观结构有显著影响。在此基础上,初步探索了离子液体[bmim]Cl阴阳离子对在水中的PMF,发现其在水中的相互作用明显小于钠-氯离子对。与NaCl水溶液不同,[bmim]Cl在水中以接触离子对形式存在的几率远远小于钠-氯离子对,这是因为[bmim]阳离子的不对称结构与钠离子明显不同。总之,本工作通过对比研究离子液体和简单离子溶液在水中平均力位能,并在微观角度上探究其机理,为进一步研究离子液体与水或其他分子间相互作用奠定了基础,对筛选特定功能的离子液体起到了一定的指导和参考作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 离子液体的概述
• 1.1.1 什么是离子液体
• 1.1.2 离子液体发展史
• 1.1.3 离子液体的应用
• 1.2 离子液体的分子模拟
• 1.2.1 离子液体体系的模拟方法
• 1.2.2 离子液体分子力场的发展
• 1.2.3 离子液体模拟现状
• 1.3 本文的研究内容和目的
• 第二章 伞形抽样的实现和参数优化
• 2.1 平均力位能、伞形抽样和WHAM方法的原理
• 2.1.1 平均力位能（Potential of mean Force,PMF）
• 2.1.2 伞形抽样（Umbrella Sampling）
• 2.1.3 伞形抽样方法计算自由能
• 2.1.4 加权直方图分析方法（Weighted Histogram Analysis Method,WHAM）
• 2.2 分子动力学模拟原理与步骤
• 2.3 模拟软件LAMMPS简介
• 2.4 甲烷在水中PMF的分子动力学模拟
• 2.4.1 模拟细节
• 2.4.2 结果与讨论
• 2.4.3 参数优化模拟细节
• 2.4.4 结果与讨论
• 2.5 本章结论
• 第三章 NaCl在水中PMF的分子动力学模拟
• 3.1 模拟细节
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 平均力位能
• 3.2.2 离子溶液NaCl在水中的作用关系
• 3.2.3 径向分布函数
• 3.4 本章结论
• 第四章 离子液体在水中PMF的模拟
• 4.1 离子液体[bmim]Cl在真空中PMF的模拟
• 4.1.1 模拟细节
• 4.1.2 结果与讨论
• 4.2 离子液体[bmim]Cl在水中PMF的分子动力学模拟
• 4.2.1 模拟细节
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 离子液体[Bmim]Cl和离子溶液NaCl的比较
• 4.3.1 PMF的比较
• 4.3.2 径向分布函数的比较
• 4.4 本章结论
• 第五章 结论与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 作者及导师简介