受限在納米尺度下甲烷水合物的動力學(xué)性質(zhì)的研究

【摘要】：人類的生存和發(fā)展離不開能源,能源是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前的主要能源是天然氣、石油和煤炭,但是由于這類燃料的儲量日趨減少,為了防止能源枯竭,需要開發(fā)高效、清潔并且儲量豐富的新能源[1-2]?？扇急姆肿咏Y(jié)構(gòu)式為：CH4·5.75H20,即標準的甲烷籠形水合物中每5.75摩爾的水中就含有1摩爾的甲烷。因此它又可以稱為甲烷水合物,是一種固體的籠狀水合物,水分子排列形成籠狀,將甲烷分子包含其中。甲烷的燃點非常低,是一種是極易燃燒的可燃性氣體,并且燃燒之后不會產(chǎn)生污染環(huán)境的廢氣,是一種清潔能源。甲烷水合物的儲量十分豐富,據(jù)估測大約是天然氣的儲量的2-10倍,平均每立方米的甲烷水合物大約能夠釋放出168立方米的甲烷。雖然甲烷水合物的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有二百多年的歷史,但是直到最近50年,科學(xué)家們才開始從微觀層次上去深入研究其形成機理[3]。由于甲烷水合物的凝結(jié)核非常小,現(xiàn)在的實驗手段尚且無法動態(tài)跟蹤原子的運動軌跡,因此想要通過實驗在原子層次上研究甲烷水合物形成機制與動力學(xué)行為是很難以實現(xiàn)的[4]。當前行之有效的方法是利用分子動力學(xué)模擬來模擬甲烷水合物的形成和演化過程,并闡明其中的物理機制[5-6]。所以甲烷在受限的水環(huán)境中的性質(zhì)的研究十分重要。 而且,近年來經(jīng)過不斷的研究,我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn),水分子在納米尺度下表現(xiàn)出來的性質(zhì)與宏觀相大不一樣。目前從納米水平上認識事物,是研究的一大熱點,對水分子通過納米通道的研究也需要我們從分子水平上控制和理解。受限在納米孔道內(nèi)的水分子擁有許多優(yōu)秀特性,例如有序的水結(jié)構(gòu),非菲克型擴散和額外的快速運動的水流。水分子在碳納米管中的所表現(xiàn)出來的這些優(yōu)越的物理性能都為納米輸運技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。最重要的是,這些優(yōu)越性能開辟出了嶄新的研究領(lǐng)域。 對于碳納米管中水分子的研究和大體積下甲烷水合物自發(fā)的的成核及生長過程的研究,我們已經(jīng)知道了,然而我們還不清楚的是甲烷分子受限在納米水環(huán)境空間中的性質(zhì)。 在本文中我們會選用分子動力學(xué)模擬的方法,從分子水平上進一步研究甲烷分子與水分子受限在碳納米管中時,它們的動力學(xué)行為和性質(zhì),主要內(nèi)容如下： 第一章主要介紹了碳納米管及甲烷水合物的知識背景和研究現(xiàn)狀,介紹了本文的主要研究方法及研究內(nèi)容。 第二章簡略的介紹了分子動力學(xué),主要包括分子動力學(xué)的簡史、優(yōu)勢和限制、基本原理、勢函數(shù)和力場、運動方程、平衡態(tài)系統(tǒng)模擬、初始條件以及邊界條件等。 第三章運用分子動力學(xué)的方法設(shè)計了甲烷和水分子受限在碳納米管中這一系統(tǒng),通過改變甲烷的密度,觀察甲烷和水分子在受限空間中的分布和動力學(xué)性質(zhì)。 第四章建立一系列帶不同電荷量的碳納米管,并不斷調(diào)節(jié)碳納米管所帶電荷量的大小,來研究其中水分子的動力學(xué)性質(zhì),為以后甲烷水合物處于帶電碳納米管中的研究奠定基礎(chǔ)。 第五章總結(jié)與展望 【關(guān)鍵詞】：甲烷 水分子 碳納米管 分子動力學(xué)模擬
【學(xué)位授予單位】：浙江師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：O561
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 目錄8-10
• 第一章 緒論10-14
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 模擬內(nèi)容11-13
• 1.3 模擬方法13-14
• 第二章 分子動力學(xué)簡介14-27
• 2.1 分子動力學(xué)簡史14-15
• 2.2 分子動力學(xué)優(yōu)勢和限制15-16
• 2.3 分子動力學(xué)主要原理16-19
• 2.3.1 動力學(xué)模擬主要的力學(xué)定律-牛頓運動方程17
• 2.3.2 模擬體系中粒子運動方程的求解17-19
• 2.4 模擬中的勢函數(shù)與力場19-22
• 2.4.1 非鍵相互作用(Enobond)20-22
• 2.4.2 成鍵相互作用(Ebond)22
• 2.5 動力學(xué)模擬的原胞22-23
• 2.6 周期性邊界條件23
• 2.7 動力學(xué)系統(tǒng)模擬23-25
• 2.7.1 微正則系綜(N,V,E)23-24
• 2.7.2 正則系綜(N,V,T)24-25
• 2.7.3 等溫等壓系綜模擬(N,P,T)25
• 2.8 GROMACS簡介25-27
• 第三章 受限在納米水環(huán)境空間中的甲烷分子27-35
• 3.1 引言27-28
• 3.2 模型與方法28-31
• 3.3 結(jié)果與分析31-33
• 3.3.1 徑向密度分布31-32
• 3.3.2 擴散系數(shù)32-33
• 3.3.3 平均氫鍵33
• 3.4 小結(jié)33-35
• 第四章 水通過帶電納米管的輸運35-41
• 4.1 引言35-36
• 4.2 模型和主要參數(shù)36-37
• 4.3 模擬結(jié)果和討論37-40
• 4.4 結(jié)論40-41
• 第五章 總結(jié)和展望41-43
• 5.1 研究的結(jié)論41
• 5.2 研究展望41-43
• 參考文獻43-47
• 碩士期間發(fā)表的論文47-48
• 致謝48-50

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