GO基表面模型在電子水平上水和化學(xué)基團(tuán)之間相互作用

氧化石墨烯（GO）作為一種石墨烯基材料，由于其簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展和低成本的合成方法成為二維材料領(lǐng)域的新星，比如可以有效的水處理和用于可持續(xù)能源生產(chǎn)的燃料電池等。但它與液態(tài)水的相互作用仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。本文使用第一性原理對(duì)液態(tài)水中GO進(jìn)行分子模擬，彌合了簡(jiǎn)單計(jì)算模型與復(fù)雜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之間的差距。同時(shí)構(gòu)建了化學(xué)精確的GO模型并研究了它們?cè)谒械男袨椤?/p>

氧化石墨烯（GO）是二維材料中的一顆冉冉升起的新星，但它與液態(tài)水的相互作用仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題：難以在原子尺度上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表征，并且通過(guò)經(jīng)典方法進(jìn)行建模無(wú)法正確描述化學(xué)反應(yīng)性。

近日，法國(guó)巴黎文理研究大學(xué)Marie-LaureBocquet教授使用第一性原理對(duì)液態(tài)水中GO進(jìn)行分子模擬，彌合了簡(jiǎn)單計(jì)算模型與復(fù)雜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之間的差距。同時(shí)構(gòu)建了化學(xué)精確的GO模型并研究了它們?cè)谒械男袨椋砻骱豕倌軋F(tuán)（羥基和環(huán)氧化物）優(yōu)先聚集在GO層上。

氧化石墨烯（GO）作為一種石墨烯基材料，由于其簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展和低成本的合成方法，在過(guò)去二十年中已經(jīng)引起了人們的巨大關(guān)注。并且已經(jīng)廣泛用于各種用途，比如：有效的水處理和用于可持續(xù)能源生產(chǎn)的燃料電池等。這種性質(zhì)在很大程度上取決于表面存在的化學(xué)基團(tuán)，并提出了使用不同試劑和氧化時(shí)間，允許材料的化學(xué)成分略有變化。因此，GO表面的O/C比值從28%到36%不等。但當(dāng)將熱剝落技術(shù)應(yīng)用于GO以產(chǎn)生單層功能化石墨烯時(shí)，一些特殊的化學(xué)官能團(tuán)被移除，此時(shí)比例下降到5%-10%之間。

迄今為止，使用不同的表征技術(shù)，例如固體NMR，XPS或拉曼光譜測(cè)量，已經(jīng)提出了許多試圖描述GO表面的理論模型。其中最廣泛使用的模型是Lerf和Klinowski最初提出的GO模型，并且從那以后在文獻(xiàn)中主要用于描述GO的單層。該層被描述為具有未氧化苯環(huán)的平坦芳香族區(qū)域、含有羥基或1，2-醚（環(huán)氧化物）基的褶皺區(qū)域和和羧酸隨機(jī)分布在GO的邊緣。但關(guān)于氧化功能沿石墨烯層的空間排列沒(méi)有明確的陳述，是否沿表面隨機(jī)分布，對(duì)材料的穩(wěn)定性及其化學(xué)性質(zhì)有什么影響。特別是當(dāng)它與水相互作用時(shí)，如何影響GO膜的過(guò)濾性能。事實(shí)上，GO與水的相互作用特別重要，因?yàn)樗^察到的GO膜對(duì)水分子的超透性及其理解要求在原子尺度上建模。

在本文中， 作者提出了一個(gè)GO基表面模型，描述了電子水平上的水和化學(xué)基團(tuán)之間相互作用。利用這種方法中，使用給定的O/C比率生成多個(gè)GO樣本，其功能隨機(jī)分布或不在表面上分布。而且最初生成的GO層是在沒(méi)有溶劑的情況下進(jìn)行研究的，在穩(wěn)定的GO層中，其中六層通過(guò)從頭算分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）模擬被放置在室溫下的液態(tài)水中。隨后，通過(guò)對(duì)時(shí)間和重復(fù)項(xiàng)進(jìn)行平均化的徹底統(tǒng)計(jì)分析，以便定量測(cè)量二維材料中水與固態(tài)界面中一些有價(jià)值的物理和化學(xué)性質(zhì)。證明了GO在水中擁有特殊特性，即親水性和快速水動(dòng)力學(xué)的非凡組合。此外，也證明GO在水中具有化學(xué)活性，平均負(fù)電荷為10 mC m-2。從頭算模型突出了GO結(jié)構(gòu)作為海水淡化和凈水創(chuàng)新膜的獨(dú)特應(yīng)用。

圖1.這項(xiàng)工作中研究的氧化石墨烯模型

圖2.氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

圖3.從分子動(dòng)力學(xué)模擬獲得的模擬快照

圖4.氧化石墨烯的自發(fā)脫水

圖5.液態(tài)水中氧化石墨烯的動(dòng)力學(xué)

總而言之，作者通過(guò)廣泛的ab AIMD模擬，以固定的O/C比建立了包括羥基和環(huán)氧基在內(nèi)的數(shù)個(gè)GO模型，并分析了它們各自的穩(wěn)定性以及在液態(tài)水中的物理和化學(xué)行為。盡管計(jì)算量很大，但正是這些模型與廣泛的從頭算MD的結(jié)合使之能夠描述GO/液態(tài)水界面處發(fā)生的化學(xué)過(guò)程。