东南大学能源与环境学院Muxing Zhang等–电场促进纳米多孔氧化石墨烯膜分离H2O/O2的分子动力学研究

外部刺激例如电场的应用，可以促进气体分离。采用分子动力学(MD)模拟方法分析了动态电场促进H₂O/O₂气体分子在双层纳米多孔氧化石墨烯膜上的分离过程。计算结果表明，H₂O分子在外电场为10^-4 V·Å^-1的情况下，气体渗透率提高到3.26 x 10³ mol·m^-2·s^-1，与O2分子相比，选择性提高了1.44，在没有外加电场的情况下为0.33。O₂分子的分离性提高到1.44，其在无外电场时为0.33。通过研究电场强度对相互作用能的影响，阐明了促进H₂O/O₂分离的机理。电场抑制了H₂O分子和H₂O膜之间的氢键相互作用。在电场作用下加速解吸会使膜上有更多的吸附位点，从而促进H₂O分子的渗透。

图1. (a) C₈O₂(OH)₂重复单元、(b)纳米多孔GO的正视图、(c)氧化官能团分布的侧面图、和(d)错位孔隙的2NPGO的分子构型(黄色：H原子，红色：-OH中的O原子，蓝色：O = O中的O原子，灰色：C原子)。

图2. 模拟系统盒子中含有H₂O和O₂分子的混合物。

图3.无电场时(左a-d)和电场为10^-4 V·Å^-1时(右e-h)混合气体渗入2NPGO的快照。

图4.无电场时(虚线)和电场为10^-4 V·Å^-1时(实线)H₂O/O₂的浓度分布。

图5. H₂O(左)和O₂(右)分子在不同电场下的均方位移（MSD）。

图6. 不同电场强度下H₂O和O₂的扩散系数变化规律。

图7. 外加电场为10^-4 V·Å^-1时，吸附层(左)和渗透侧(右)的气体分子数量的时间演变。

图8. 不同电场时气体分子的渗透速率和H₂O/O₂的分离因子。

图9. H₂O/O₂分子与膜之间的相互作用势与电场强度的关系

图10. H₂O分子渗透2NGPO膜。

相关研究成果由东南大学能源与环境学院Muxing Zhang等人于2022年发表在Journal of Molecular Liquids (https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.118634)上。原文：Molecular dynamics study on electric field-facilitated separation of H₂O/ O₂ through nanoporous graphene oxide membrane。