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东南大学能源与环境学院Muxing Zhang等--电场促进纳米多孔氧化石墨烯膜分离H2O/O2的分子动力学研究
       外部刺激例如电场的应用,可以促进气体分离。采用分子动力学(MD)模拟方法分析了动态电场促进H2O/O2气体分子在双层纳米多孔氧化石墨烯膜上的分离过程。计算结果表明,H2O分子在外电场为10-4 V·Å-1的情况下,气体渗透率提高到3.26 x 103 mol·m-2·s-1,与O2分子相比,选择性提高了1.44,在没有外加电场的情况下为0.33。O2分子的分离性提高到1.44,其在无外电场时为0.33。通过研究电场强度对相互作用能的影响,阐明了促进H2O/O2分离的机理。电场抑制了H2O分子和H2O膜之间的氢键相互作用。在电场作用下加速解吸会使膜上有更多的吸附位点,从而促进H2O分子的渗透。 
 
图1. (a) C8O2(OH)2重复单元、(b)纳米多孔GO的正视图、(c)氧化官能团分布的侧面图、和(d)错位孔隙的2NPGO的分子构型(黄色:H原子,红色:-OH中的O原子,蓝色:O = O中的O原子,灰色:C原子)。 
 
图2. 模拟系统盒子中含有H2O和O2分子的混合物。 
 
图3.无电场时(左a-d)和电场为10-4 V·Å-1时(右e-h)混合气体渗入2NPGO的快照。  
图4.无电场时(虚线)和电场为10-4 V·Å-1时(实线)H2O/O2的浓度分布。  
图5. H2O(左)和O2(右)分子在不同电场下的均方位移(MSD)。 
 
图6. 不同电场强度下H2O和O2的扩散系数变化规律。 
 
图7. 外加电场为10-4 V·Å-1时,吸附层(左)和渗透侧(右)的气体分子数量的时间演变。 
 
图8. 不同电场时气体分子的渗透速率和H2O/O2的分离因子。 
 
图9. H2O/O2分子与膜之间的相互作用势与电场强度的关系。
 
 
图10. H2O分子渗透2NGPO膜。

        相关研究成果由东南大学能源与环境学院Muxing Zhang等人于2022年发表在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。

转自《石墨烯研究》公众号
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