石墨烯电容去离子性能的原子及电子层次理论模拟

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1、硕士学位论文石墨烯电容去离子性能的原子及电子层次理论模拟THEORETICALSIMULATIONSOFTHECAPACITIVEDEIONIZATIONPROPERTIESOFGRAPHENEINATOMICANDELECTRONICLEVELS李洋哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：O641学校代码：10213国际图书分类号：531密级：公开理学硕士学位论文石墨烯电容去离子性能的原子及电子层次理论模拟硕士研究生：李洋导师：宋岩教授申请学位：理学硕士学科：海洋科学所在单位：海洋科学与技术学院答辩日期：2015年6月授予学位

2、单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O641U.D.C:531DissertationfortheMasterDegreeinScienceTHEORETICALSIMULATIONSOFTHECAPACITIVEDEIONIZATIONPROPERTIESOFGRAPHENEINATOMICANDELECTRONICLEVELSCandidate：LiYangSupervisor：Prof.SongYanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpeciality：Marin

3、eScienceSchooloftheMarineScienceandAffiliation：TechnologyDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要随着社会重工业技术高速发展和人们需求的不断提升，工业污水和生活污水对有限的可用的淡水资源造成严重污染，从大量的海水中获取经济实惠的淡水资源成为了众多学者关注的焦点。目前海水淡化技术中蒸馏、电渗析，反渗透和离子交换等方法存在各自的缺

4、点。电容去离子技术实现低能耗无污染成为可能。石墨烯具有较高的比表面积和良好的电导率等优点，吸引众多学者利用其进行电容去离子技术研究，但是目前对其除盐的理论研究较少。本文利用模拟计算的方法对其电容性能和脱盐性能进行研究。运用分子动力学模拟方法（LAMMPS）和密度泛函理论（CASTEP）计算了本征石墨烯的界面电容，通过对本征石墨烯电极施加电荷来模拟充电过程来研究与1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[BMIM][PF6]）离子液体形成的界面电容。结果表明，在a=±0.6V时本征石墨烯具有较大的界面电容，约为70F/g，与实验值基本吻合

5、。运用分子动力学模拟考察了不同操作条件对本征石墨烯电容去离子性能的影响。根据出水口处氯化钠离子和水分子的数量比作为除盐率指标，并通过对电极表面流体流速和离子吸附量等手段探讨了操作条件变化对除盐率的影响。结果表明，增加电极表面电荷密度、减小电极板间距和降低流体流速均提高电容去离子性能。运用分子动力学模拟和密度泛函理论计算了含缺陷石墨烯电极和氮掺杂石墨烯电极的界面电容，计算结果与本征石墨烯比较发现，随着含缺陷量增加界面电容逐渐降低，氮掺杂量增加界面电容逐渐升高，并且当氮掺杂率为4.1%时，具有较大的界面电容，约为122F/g，与实验值基

6、本符合。以含缺陷石墨烯和氮掺杂石墨烯作为电极，运用分子动力学模拟对两种电极除盐性能进行研究。结果表明，随着含缺陷量的增多，除盐率逐渐降低；氮掺杂量的增多，除盐率逐渐升高。关键词:海水；石墨烯；模拟计算；界面电容；电容去离子I哈尔滨工业大学理学硕士学位论文AbstractWiththehigh-speeddevelopmentofheavyindustryandtheimprovingdemandofthepeople,theindustrialwastewateranddomesticwastewatercauseseriousen

7、vironmentalpollutiontothelimitedfreshwaterresources.Obtainingeconomicalfreshwaterresourcesfromlargeamountsofseawaterhasbecomethefocusofmanyscholars.Recentlytherearemanyapproachtoseawaterdesalinationincludingdistillation,electrodialysis,reverseosmosisandionexchange,butt

8、hoseapproachesallhavetheirowndeficienciesandweaknesses.Thecapacitivedeionization(CDI）makeitpossibletorealizealow-ener