卡塔尔德克萨斯农工大学–石墨烯介孔n-正二十八烷-水混合物的分子动力学模拟：原子计算和粗粒度计算的比较以及催化剂纳米颗粒的影响

Fischer-Tropsch合成 (FTS) 广泛用于气转液 (GTL) 工艺，以从合成气生产清洁、高质量的低排放运输燃料。为了通过考虑亲水性或疏水性特征和催化剂纳米颗粒 (NPs) 的限制效应，更好地了解反应条件下生成的蜡水混合物的相行为，需要仔细检查加入粗颗粒的有效性。本研究的重点是通过原子 (AA) 和粗粒 (CG) 分子动力学 (MD; CGMD) 模拟石墨烯 (G) 和氧化石墨烯 (GO) 中的正二十八烷 (n-C28)-水混合物中孔在低温FTS条件 (473.15 K) 下包含Co NP。选择石墨烯衍生物是因为它们是FTS反应中新兴的催化剂载体材料，可以直接比较AA和CG方法。我们还评估了在n-C28-H2O混合物相行为中是否存在7 wt.％的长链醇，例如dodecan-1-ol。AA模拟涉及对n-C28和醇类使用联合原子TraPPE (TraPPE-UA) 力场，对水使用 TIP4P/2005 力场，而MARTINI力场用于CG描述。对于G孔内部的混合物，AA和CG模拟方法都捕获了混合物的相分离，水分子占据了孔的中心，n-C28形成层位于孔壁；在GO内部，两种方法都表明水在表面附近分离，模型蜡位于孔隙中心。AA和CG模拟都准确地捕获了n-C28和H2O扩散率分别作为距G和GO孔中心距离的函数，越靠近孔表面越低。Dodecan-1-ol主要位于n-C28-H2O界面，由于范德华分子间相互作用增加，对蜡有更高的偏好，略微降低了水的流动性。AA和CG MD模拟之间的一致性为使用Co的DFT派生参数进行新型CGMD模拟铺平了道路，以研究其存在时的n-C28-H2O行为。我们的结果表明Co NP不影响孔内n-C28-H2O混合物的相分离；然而，如此高浓度的水广泛地覆盖了Co NP表面。鉴于在此规模上探索相关机制的实验困难，我们的结果表明，使用MARTINI力场的CGMD可用于研究此级别的FTS相关过程，并有望在与相关的受限混合物的研究中开辟新途径。在负载型催化剂NP存在下的FTS反应。

Figure 1. 分别使用AA（a,c）和CG（b,d）方法，G（灰色）和GO（青色）孔中n-C₂₈-H₂O混合物的初始（i）和平衡结构（ii）。

Figure 2. 使用 (a) AA 和 (b) CG 描述的bulk n-C28-H2O 混合物的质量密度分布。使用 (c) AA 和 (d) CG 模拟添加十二醇的bulk n-C28-H2O 混合物的部分密度分布。

Figure 3. 在473 K和3.4 MPa下，纯bulk n-C28、n-C28-H2O和nC28-H2O-C12H25OH体相混合物中，(a,b) Ree的AA和CG n-C28概率分布，以及（c,d）端到端和z轴矢量之间形成的倾斜角θ

Figure 4. G和GO孔中，(a和b) Ree的AA和CG n-C28概率分布，以及(c和d)端到端和孔表面法向量之间形成的倾斜角θ。bulk n-C28-H2O混合物的结果以供比较。

相关研究成果于2021年由卡塔尔德克萨斯农工大学Ioannis G. Economou课题组，发表在Energy Fuels（https://dx.doi.org/10.1021/acs.energyfuels.0c04151）上。原文：Molecular Dynamics Simulation of the n‑Octacosane−Water Mixture Confined in Graphene Mesopores: Comparison of Atomistic and Coarse-Grained Calculations and the Effect of Catalyst Nanoparticle。