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摘 要

本文主要运用分子动力学对氧化石墨烯在水溶液中的行为进行研究。通过分子动力学模拟，运用软件设计出氧化石墨烯的构型，并且设计出模拟体系的最终构型。对模拟的数据使用程序处理计算，分析总结相关结果。它可以模拟实际操作中尚不能进行的实验，指导实验中某些材料的制备及功能化，发掘材料的潜在价值，还能探究原子分子阶段过程的传质机理。本文中，我们报告了一系列的分子动力学模拟研究，一是模拟两块平行氧化石墨烯之间的电势走向，另一个是将氧化石墨烯从水中拉到真空面的PMF变化。两块氧化石墨烯之间的平均力势(PMF)和氧化石墨烯片从主体水相吸附到水—真空界面全原子化分子动力学模拟计算。

关键词：氧化石墨烯 分子动力学模拟 平均力势 气液相界面

Molecular dynamics simulation of solvated grapheme

ABSTRACT

In this paper, molecular dynamics is used to study the behavior of graphene oxide in aqueous solution。 Through the molecular dynamics simulation, the configuration of the graphene oxide was designed by software, and the final configuration of the simulation system was designed。 The simulation of the use of data processing procedures, analysis and summary of the relevant results。 It can simulate the experiments that can not be carried out in practical operation, guide the preparation and functionalization of some materials in the experiment, explore the potential value of the materials, and explore the mass transfer mechanism of the atomic and molecular stages。 In this paper, we report a series of molecular dynamics simulations, one to simulate the potentials between two parallel grained graphene, and the other to change the potential of mean force from the water to the vacuum surface。 (PMF) and the graded graphene sheets were adsorbed from the main body to the water - vacuum interface。

Key Words：Graphene Oxide; Molecular Dynamics Simulation; Potential Of Mean Force; Gas -Liquid Interface

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 前言 1

1.1 氧化石墨烯背景 1

1.2 氧化石墨烯的研究进展 1

1.2.1 氧化石墨烯结构 1

1.2.2 氧化石墨烯性质 2

1.2.3 氧化石墨烯制备方法 4

1.2.4 氧化石墨烯的应用 5

1.3 分子动力学（MD）模拟 5

1.4 本论文研究内容 6

第二章 氧化石墨烯的溶剂化行为 7

2.1 引言 7

2.2 拉伸分子动力学模拟 7

2.3 模拟细节 8

2.4 结果与讨论 9

2.5 本章小结 10

第三章 氧化石墨烯从水中到真空的PMF变化 12

3.1 引言 12

3.2 模拟细节 12

3.3 结果与讨论 13

3.4 本章小结 15

第四章 结论与展望 16

4.1 结论 16

4.2 展望 16

参考文献 17

致谢 20

第一章 前言

1.1 氧化石墨烯的背景

石墨烯上的C原子是以sp²的方式杂化的，因此，这种杂化方式能够形成蜂窝状六边形。21世纪初Geim等人发明微观机械分离发并且将石墨层片成功地分离，并且观察到单层石墨层片，它是一种独立的有序的二维碳，科研工作者把它命名为石墨烯。它是结构有序分布排列而成的单原子厚度新型材料。这种目前已知的最薄的非金属材料有着优异的物理，化学性质^[1-4]，引起了科学界极大的兴趣。人们认为石墨烯材料将在生物医学、膜渗透、信息通讯、光电子等方面有广泛的发展前景^[5-7]。因此，科学家们把目光都聚集到了石墨烯独特的晶体结构特征。

石墨烯之间有很大的的分子间作用力，并且在水中容易团聚同时具有疏水的特性，因而其广泛的实用性受到了严重的限制，直到氧化石墨烯的诞生才解决上面的问题，氧化石墨烯是由石墨烯扩展而来^[8]，它们的结构大体上相似。虽然氧化石墨烯只有一层结构，但是，氧化石墨烯一样能够展现出很多不一样的优秀性能，如较好的机械稳定性。氧化石墨烯由于其相对低廉的生产成本、有含氧官能团等特殊的结构性质，更加容易制备，也能够用于大规模的工业化生产^[9-14]。氧化石墨烯有利于与其他材料复合，在科学研究中收到了越来越多重视，现在有大量的研究成果已被用于超级电容器元件、储能电池、电化学及纳米渗透膜等方面^[15-18]。

1.2 氧化石墨烯的研究进展

1.2.1 氧化石墨烯结构

虽然氧化石墨烯1859年就已经被实验制备，然而由于该材料是不定形物质，许多精确的分析方法都无法表征，其精确的化学结构仍无法得出。直至今日，科学家们已经发现很多种氧化石墨烯的结构模型。早期的氧化石墨烯模型结构拥有很多个重复的单元晶格。Hofmann和Holst^[19]认为氧化石墨烯的表面上覆盖着大量的环氧官能团，氧化石墨烯的化学式为C₂O。Ruess^[20]在1946年提出了一系列的氧化石墨烯结构，在其中引入了羟基接在石墨烯上，这解释了氧化石墨烯中H原子存在的原因。此外，Ruess也提出氧化石墨烯结构中的C原子是sp³杂化并非是以sp²杂化形式存在。20世纪70年代，Scholz和Boehm^[21]认为氧化石墨烯中没有环或者及醚之类的官能团，而是存在类似醌的结构之类的官能团，另外，氧化石墨烯的结构类似于氟化石墨烯结构。

通过提出以上氧化石墨烯的结构模型，我们大体上了解了氧化石墨烯的结构。目前，最被人们所广泛认知的氧化石墨烯结构模型是Lerf和Klinowshki提出的两种模型^[22]（如图1-1所示），而该氧化石墨烯模型已经被实验证明了合理性，这种模型目前被广泛的引用。

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