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[摘 要]石墨炔[1]在结构、電、光和机械学性质方面的优越性，使得它在氢气贮存和锂离子电池等许多方向有很多可能的应用。但是，还未有研究报道石墨炔膜对于分离浓稠液体方面的运用。同时，有关研究表示乙醇会优先吸附在石墨烯和碳纳米管的表面，因此，拥有相似的疏水特性的石墨炔的表面可能对乙醇也有优先吸附的作用。这里我们运用分子动力学模拟的方法研究讨论了乙醇-水混合物在石墨炔材料表面的界面特性和渗透行为。
[关键词]石墨炔；乙醇；水；吸附；分离；分子动力学模拟
中图分类号：TQ028.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0012-01
一、前言
乙醇和水因其普遍性在化工及生活中常常以混合物的形式存在。因为乙醇和水相互亲和的性质，所以乙醇与水在室温下便能以任意的比例相互溶解，但是两者之间也有不相同的特性导致乙醇-水于疏水平面上发生不互溶的情况，这是因为乙醇相对于水更易存在于疏水性板的平面，例如石墨以及碳纳米管表面[2]。我们可以把石墨炔看成是乙炔键将石墨烯中的碳碳键取代之后的产物。所以，石墨炔能够具有和石墨烯同样的疏水性外表面，同时其对于乙醇也可以身据优先吸附性能。 在本模拟中，我们主要探究了乙醇-水混合溶液石墨炔板graphyne-4 （G-4），考察这种石墨炔板主要是由于它的膜孔适合分离后面的乙醇-水混合物，此外，还有纯溶剂的实验用来作为比较。
1 实验部分
在已创建的模拟盒子中加入石墨炔膜板以及混合溶液，构成基本的模拟环境，并且在模拟过程中还应保证石墨炔膜板和盒子的边界不存在空隙。模拟温度由Nose-Hoover恒温器控制在 298.15K。使用PPPM（particle-particle particle-mesh）方式计算长程静电作用，同时LJ互相作用的截断半径为 1.0nm，其次对于乙醇，我们使用OPLS-AA力场[3]，石墨炔膜板被放在初始位置。周期性边界条件运用于三个方向。初始构型在NVT正则系综进行10ns的自然模拟，前4ns为平衡阶段，后6ns用来收集数据进行分析，模拟的时间步长选为 1fs。
模拟完成后再分别通过分子分布图，径向分布函数，能量分布图，纯溶液对比图等探究其性质。
2 结果与讨论
模拟过程中的分布图（图2-1）表明乙醇分子比水更易吸附于石墨炔表面，列举了膜表面吸附层的二维分布（图2-2），暗示了乙醇透过膜孔的三角形分布方式。为了了解石墨炔与乙醇和水的接触方式，我们计算了径向分布函数（RDF），结果如图（图2-3），G-4强甲基峰出现在4.1，表明乙醇是以甲基接近石墨炔，羟基远离石墨炔的方式有序透过石墨炔膜的。乙醇的优先吸附现象可以归因于相互作用力与氢键共同作用。
图 2-4给出了石墨炔近表面一个分子与G-4膜的相互作用能及平均氢键数目的分布，水分子接近膜面所需的能量明显比乙醇高，这就从能量角度对乙醇的优先吸附做了直观的解释。最后我们做了纯乙醇和水的透过实验如图2-5，这就说明虽然在没有乙醇干扰时，水分子透过G-4膜孔的能力相对于乙醇分子来说是很强的，但是纯水溶液中乙醇分子的出现会对水分子透过膜孔产生相当大的阻力。
3 结论
通过比较，我们发现相对于水，乙醇能高比率快速有序地优先吸附并透过石墨炔膜. 模拟实验中的石墨炔膜因为既具有优秀的乙醇流率也也具有突出的乙醇选择性，这些性能使得它有成为优秀渗透气化分离膜的潜力。
参考文献
[1] R H BAUGHMAN， H ECKHARDT， M KERTESZ. Structure-Property Predictions for New Planar Forms of Carbon： Layered Phases Containing sp2 and sp Atoms [J]. J. Chem. Phys. 1987， 87（11）： 6687.
[2] H J C BERENDSEN， J R GRIGERA， T P STRAATSMA. The Missing Term in Effective Pair Potentials [J]. J. Phys. Chem. 1987， 91： 6269-6271.
[3] J KOU， X ZHOU， Y CHEN， et al. Water Permeation through Single-Layer Graphyne Membrane [J]. J. Chem. Phys. 2013， 139（6）： 064705.
