德克萨斯大学Guoping Xiong和圣母大学Tengfei Luo等–水对石墨烯纳米通道中油输运影响的分子水平理解

在本研究中，本研究使用非平衡分子动力学（NEMD）模拟来研究油在表面功能化石墨烯通道中的压力驱动流动。本研究发现，通过将水引入通道，可以提高输油速度。进一步的研究揭示了水-油系统传输速度增加的两种可能的不同机制：一方面，水膜在驱动力下在油和石墨烯基底之间形成，这阻止了石墨烯层和油分子之间的显著分子间相互作用；另一方面，液体混合物的表观粘度通过在通道中引入水而降低，这提高了运输效率。对具有不同官能团的表面和具有不同极性的油的进一步比较分析证明了这种水诱导的油的流动传输增强的普遍性。该结果可用于优化现有的采油装置以提高石油运输效率。

图1. 仿真模型（以-COOH功能化的通道为例）。本研究模拟了两种不同的油：极化甲基辛基二硫化物（C₉H₂0S₂）和非极化壬烷（C₉H₂₀）。研究了石墨烯表面上的三种不同官能团：-COOH、-OH和-NH₂。

图2:（a） -COOH功能化石墨烯纳米通道的平衡系统快照（暗区代表油分子，亮区代表水分子）；（b） 河道中水和油的静态密度分布。

图3. 在不同驱动力下，-COOH官能化石墨烯通道中水和极化油分子的密度分布：（a）F=1×10^–4 kcal/mol·Å；（b） F=5×10^–4 kcal/mol·Å；（c） F=1×10^–3 kcal/mol·Å；（d）F=2×10^–3 kcal/mol·Å。（e，f）施加f=2×10^–3 kcal/mol·Å驱动力前后的流体状态。如图（f）所示，油和通道壁之间形成了两个明显且稳定的水膜。

图4. 在不同驱动力下，-COOH功能化通道中油的速度和密度分布：（a）F=1×10^–4kcal/mol·Å；（b） F=5×10^–4 kcal/mol·Å；（c） F=1×10^–3 kcal/mol·Å；（d） F=2×10^–3kcal/mol·Å。在恒定密度范围内，油的速度可以拟合为抛物线关系，以计算表观粘度。

图5.在-COOH功能化通道中，纯极化油和油水系统的速度比较。开放符号表示纯油的速度，填充符号表示油与水的传输速度。

图6.（a） 不同宽度的三个不同通道之间的比较。（b）三个通道中的油的速度分布。

图7.（a）-OH通道和（b）-NH₂通道中纯极化油和油水系统的速度比较。

图8. 适用于不同驱动力下的油速：（a）F=2×10^–3 kcal/mol·Å和（b）F=1×10^–2kcal/mol•Å。通过中心速度和所有速度拟合，可以观察到中心粘度和表观粘度之间的明显差异。此外，在大的驱动力下，-OH官能化通道显示出优异的油传输性能，而在相对较低的驱动力之下，油传输速度仍然与通道壁的亲水性一致。

图9. 不同驱动力下-NH₂通道中的密度分布：（a）F=1×10^–4 kcal/mol·Å；（b） F=5×10^–4 kcal/mol·Å；（c） F=1×10^–3 kcal/mol·Å；（d） F=2×10^–3 kcal/mol·Å。

图10.在不同驱动力下，-COOH官能化通道中水和非极化油分子的密度分布：（a）F=1×10^–4 kcal/mol·Å；（b） F=5×10^–4 kcal/mol·Å；（c） F=1×10^–3 kcal/mol·Å；（d） F=2×10^–3 kcal/mol·Å。

图11.（a） -COOH功能化石墨烯通道中纯油和水-油系统的速度分布。这里的油是非极性壬烷。（b） F=2×10^–3 kcal/mol·Å下的流动条件快照。水分子已经进入通道的中心区域，并形成了与油一起流动的水团。

图12. 纯油和油-水在（a）-OH通道和（b）-NH₂官能化通道中的速度分布。这里的油是非极性壬烷。

相关研究成果由德克萨斯大学Guoping Xiong和圣母大学Tengfei Luo等人2023年发表在The Journal of Physical Chemistry C (https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c07081)上。原文：Molecular-Level Understanding of the Effect of Water on Oil Transport in Graphene Nanochannels。