微尺度下碳基界面盐水——水合离子-π作用的理论、实验和应用

目录 丛书序 前言 第1章 离子-π作用的理论与实验方法 1 1.1 离子-π作用简介 1 1.2 离子-π作用的理论研究 2 1.2.1 阳离子-π作用 2 1.2.2 阴离子-π作用 7 1.2.3 能量分解分析 9 1.3 离子-π作用的实验测量 11 1.3.1 核磁共振和质谱方法 11 1.3.2 红外光谱和紫外光谱方法 12 1.4 离子-π作用的相关应用 13 1.4.1 离子-π作用在生物领域的相关应用 14 1.4.2 离子-π作用在材料科学领域的应用 15 1.4.3 离子-π作用在能源领域的应用 16 1.5 本章小结 17 参考文献 18 第2章 水合离子-π作用 26 2.1 引言 26 2.2 理论计算水合离子-π作用 27 2.3 力场参数的开发及应用示例 31 2.4 本章小结 34 参考文献 34 第3章 水合阳离子-π作用诱导的碳纳米管堵塞 37 3.1 引言 37 3.2 基于水合阳离子-π作用的理论预言 37 3.3 实验设计及理论分析 39 3.3.1 水合离子在碳纳米管中的吸附能和势函数 39 3.3.2 细碳纳米管管口的堵塞效应 433.3.3 堵塞效应的解决方案 47 3.3.4 粗碳纳米管的开/关转变 52 3.4 本章小结 54 参考文献 56 第4章 粗碳纳米管对 (极) 稀盐溶液中离子的高效收集 58 4.1 引言 58 4.2 极稀水溶液中碳纳米管内壁与溶液中阳离子作用的理论分析 58 4.2.1 密度泛函理论 59 4.2.2 分子动力学模拟计算 60 4.2.3 基于传统化学平衡理论的理论分析 62 4.3 实验观测浸泡稀盐溶液的粗碳纳米管 65 4.3.1 实验过程中碳纳米管内溶液的稳定性 65 4.3.2 在盐溶液中浸泡之后的 MWCNT-COOH 70 4.3.3 高强度电子辐照下 MWCNT-COOH 内部高浓度 NaCl 聚集的演变 77 4.4 本章小结 78 参考文献 78 第5章 离子对氧化石墨烯膜层间距的调控及其在离子筛分中的应用 82 5.1 引言 82 5.2 量化计算水合阳离子在氧化石墨烯片层之间的运动规律 83 5.2.1 模型简介 83 5.2.2 能量分析 84 5.2.3 离子在石墨烯片层间的动力学分析 84 5.3 理论计算不同水合阳离子对氧化石墨烯膜层间距的影响 87 5.4 紫外吸收光谱验证阳离子和氧化石墨烯膜之间的水合阳离子-π作用 88 5.5 实验验证基于水合阳离子-π作用对氧化石墨烯膜层间距的控制 89 5.5.1 不同阳离子控制氧化石墨烯膜的层间距 89 5.5.2 不同离子在氧化石墨烯膜上的吸附 93 5.5.3 阳离子控制氧化石墨烯膜的层间距稳定性 95 5.6 基于水合阳离子-π作用控制间距的氧化石墨烯膜的渗透实验 96 5.6.1 渗透实验方法 96 5.6.2 基于水合阳离子-π作用的氧化石墨烯膜对离子的控制有效性 97 5.6.3 KCl 控制间距的氧化石墨烯膜对混合离子的渗透速率及离子筛选 100 5.7 不同浓度阳离子的水合阳离子-π作用对石墨烯膜层间距的控制 101 5.7.1 不同浓度 K 控制的氧化石墨烯膜的层间距 101 5.7.2 不同浓度 K 控制氧化石墨烯膜层间距的机理 1025.7.3 不同浓度 K 控制的氧化石墨烯膜对 Mg2 渗透行为的影响 103 5.7.4 其他阳离子的浓度效应 104 5.8 本章小结 105 参考文献 106 第6章 常温常压下具有反常化学计量比的二维 Na2Cl/Na3Cl 晶体 109 6.1 引言 109 6.2 实验证实石墨烯基膜表面存在反常化学计量比的二维 Na-Cl 晶体 109 6.2.1 XRD 的实验结果 109 6.2.2 紫外光谱的实验结果 111 6.3 经典动力学模拟预测 NaCl 不饱和溶液在石墨烯表面形成二维晶体 112 6.3.1 模型简介 112 6.3.2 模拟结果及分析 113 6.4 基于量化计算的石墨烯基底上反常化学计量比二维 Na-Cl 晶体的可能结构 115 6.5 常温常压下得到的二维晶体的实验验证 119 6.5.1 XRD 实验 119 6.5.2 TEM 电镜实验确定二维晶体的结构 120 6.6 反常计量比 Na-Cl 结构的稳定性的理论分析 123 6.7 不同化学计量比的 Na-Cl 晶体的性能 126 6.8 常温常压与超高压下得到的反常计量比晶体的结构对比 127 6.9 常温常压下其他二维反常计量比材料 128 6.10 本章小结 129 参考文献 130 第7章 水合阳离子-π作用诱导的分子尺度亲水性 132 7.1 引言 132 7.2 宏观尺度下固体表面的亲疏水性质 133 7.3 微观尺度下固体表面的亲疏水性质 134 7.4 水合阳离子-π作用在疏水表面诱导的分子尺度亲水性 135 7.4.1 水合阳离子-π作用诱导石墨表面的盐溶液展现出分子尺度亲水性的理论预言 135 7.4.2 石墨表面的 NaCl 溶液在宏观尺度和分子尺度下具有不同亲疏水性质的实验验证 138 7.4.3 石墨表面的盐溶液具有分子尺度亲水性的理论解释 139 7.5 诱导分子尺度亲水性的其他因素 140 7.5.1 表面电荷在疏水表面诱导的分子尺度亲水性 1417.5.2 基团修饰在超亲水表面诱导的分子尺度亲水性 143 7.6 本章小结 146 参考文献 147 第8章 二价金属离子提升含芳香环分子的亲水性 154 8.1 引言 154 8.2 水合阳离子-π作用与芳香性生物分子水溶性 155 8.2.1 铜 (II) 等金属离子与 Trp 分子之间的阳离子-π作用 157 8.2.2 溶解度及相关实验结果 159 8.2.3 阳离子-π作用的实验表征 164 8.3 本章小结 169 参考文献 170 第9章 离子控制含芳香环材料表面的 “咖啡环” 效应 173 9.1 引言 173 9.2 基于水合阳离子-π作用控制含芳香环碳基表面 “咖啡环” 效应的理论基础 174 9.3 含盐液滴控制芳香族碳基表面上 “咖啡环” 效应的实验验证 175 9.4 分子动力学和格子玻尔兹曼方法模拟石墨烯基底上含盐液滴的沉积行为 178 9.4.1 水合阳离子-π作用对苯乙烯分子在石墨烯基底上沉积图案影响的分子动力学模拟 178 9.4.2 水合阳离子-π作用对颗粒在石墨烯基底上沉积图案影响的格子玻尔兹曼方法流体模拟 179 9.5 本章小结 180 参考文献 181 索引 184