عنوان پایان‌نامه
بررسی پراکندگی نانولوله ای مجتمع در مایعات یونی
- دانشجو
- مرتضی محمدی
- استاد راهنما
- معصومه فروتن
- رشته تحصیلی
- شیمی فیزیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 4875;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 55346
- تاریخ دفاع
- ۲۷ شهریور ۱۳۹۱
- چکیده
- پایان¬نامه حاضر با استفاده از روش شبیه¬سازی¬های دینامیک مولکولی در میدان نیروی OPLS-AA، به مطالعه رفتارترمودینامیکی، ویژگی¬های ساختاری و خواص فیزیک¬وشیمیایی مایعات یونی در حالت خالص و محلول آن با نانولوله¬های کربنی و گاز SO2 در دو بخش مختلف می¬پردازد. در بخش نخست، این مطالعات بر روی سیستم مایع یونی خالص و مخلوط آن با مولکول¬های نانوله انجام شد. در این کار دو نوع مولکول نانولوله تک جداره، کایرال(6،5) و صندلی(6،6)، و مایع یونی 1- n- پروپیل- 4- آمینو- 1،2،4- تری¬آزولیوم برومید مورد استفاده قرار گرفتند. در بررسی سیستم نانولوله تنهای غوطه¬ور در مایع یونی، نفوذ آنیون و کاتیون به درون تونل نانولوله (6،6) و تجمع آنیون¬های برومید در دو انتهای مولکول نانوله مشاهده شد. مشخص شد در اولین لایه حلال¬پوشی، کاتیون¬ها از سه موقعیت بر روی جداره نانولوله جذب می¬شوند و پیک اولین لایه کاتیونی زودتر از آنیونی ظاهر می¬شود. مطالعه سیستم مجتمع شش¬تایی آنها در مایع یونی نشان داد که در این سیستم¬ها ساختار نانولوله¬های متجمع ابتدا از ناحیه¬ای که سطح تماس بیشتری با حلال دارد شروع به جدا شدن می¬کنند، و نانولوله¬های داخلی¬تر مقاوت موقتی در مقابل پراکندگی نشان می¬دهند. ولی سیستم¬های باندلی مشابه در برابر نیروهای جداکننده حلال مقاوم هستند. در این سیستم¬ها مجموع برهم¬کنش¬های ?-? بین سطوح مشترک مولکول¬های نانولوله، بیشتر از مجموع این برهم¬کنش¬ها در سیستم¬های غیرباندلی مشابه است. سطح تماس حلال با نانولوله¬ها در این نوع ساختار بسیار کاهش یافته است. نتایج محاسبه زاویه دو وجهی بین صفحه حلقه کاتیون¬ها و نزدیکترین صفحه حلقه نانولوله نشان می¬دهد که در لایه اول حلال¬پوشی کاتیون¬ها تمایل دارند صفحه¬ی حلقه¬ی خود را بصورت موازی با سطح دیواره نانولوله قرار دهند. نمودارهای میانگین مربع جابه¬جایی، ضرایب نفوذ و اعداد انتقالی کاتیون و آنیون هر کدام از سیستم¬ها محاسبه شد و نشان داد که ضریب نفوذ کاتیون در تمامی این سیستم¬ها بزرگتر از آنیون است. همچنین، مقایسه ضرایب نفوذ یون¬ها در سیستم باندلی و غیرباندلی مشابه نشان می¬دهد که مقدار آن در سیستم باندلی بزرگتر است. در این سیستم¬ها عدد انتقالی کاتیون بزرگتر از آنیون و t_+>0.5 است. نشان داده شد در چهار¬چوب زمانی محاسبه شده برای این سیستم¬ها دینامیک مایع یونی مذکور از نوع شیشه¬ای و شبه¬نفوذی است. در بخش دوم به منظور مطالعه تاثیر گاز SO2 بر خواص فیزیک¬وشیمیایی مایعات یونی، سیستم¬های حاوی مایعات یونی خالص با کاتیون 1-اتیل-3-متیل ایمیدازولیوم و پنج نوع آنیون متفاوت در دو گروه(I ?Br?^-,?Cl?^- (لاستیکی) و (II ?NO?_3^-,?PF?_6^-, ?BF?_4^-(مایع) و سیستم¬های مخلوط این مایعات یونی با گاز SO2مورد ارزیابی قرار گرفت. یکی از اهداف اصلی این پژوهش بررسی اثر نوع آنیون بر قدرت جذب مایعات یونی در جذب گاز می¬باشد. ویژگی¬های ساختاری سیستم¬های خالص و محلول با مطالعه نمودارهای توابع توزیع شعاعی بررسی شدند. نتایج این بررسی¬ها مشخص کرد که حضور گاز برهم¬کنش¬های کلمبی مایع یونی را در فواصل نزدیک تقویت ولی نظم دور برد آن را مختل می¬کند. به منظور تفسیر دقیق نتایج مربوط به اعداد کئوردیناسیون الگوریتم¬هایی طراحی شد که اندازه بار در واحد سطح(?_Anion) و فضای در دسترس برای حضور کاتیون در اطراف آنیون(?_Anion) را بصورت کمی محاسبه می¬کرد. مقایسه اعداد کئوردیناسیون نسبی آنیون¬ها با هم نشان می¬دهد که ظهور اعداد کئوردیناسیون مختلف برای آنیون¬های متفاوت نتیجه سازگاری بین ?_Anion و ?_Anion می¬باشد. نمودارهای تابع توزیع شعاعی آنیون¬ها و کاتیون اطراف گاز نشان دادند که برهم¬کنش گاز با آنیون¬ها به مراتب قویتر و موثرتر از برهم¬کنش آن با کاتیون می¬باشد. مقایسه اعداد کئوردیناسیون سیستم¬های محلول پیش¬بینی می¬کند که هر چه قدر دو فاکتور ?_Anion و ?_Anion هم جهت عمل کنند قدرت جذب آنیون برای گاز بیشتر می¬شود. ترتیب اعداد کئوردیناسیون مشاهده شده برای کاتیون و گاز اطراف آنیون¬های مختلف نشان¬ می¬دهد که پارامترهای ?_Anion و?_Anion برای اسیدهای مختلف عملکرد یکسانی دارد. مطالعه نمودارهای متوسط میانگین جابه¬جایی به منظور بررسی اثر حضور گاز بر خواص فیزیک-وشیمیایی مایعات یونی انجام شد. نشان داده شد که حضور گاز SO2 منجر به افزایش زیادی در مقدار ضرایب نفوذ، هدایت، ظرفیت گرمایی ویژه در حجم ثابت و چگالی می¬شود. داده¬های مربوط به ضرایب نفوذ کاتیون و آنیون حاکی از این واقعیت هستند که در حالت مایع ضرایب نفوذ کاتیون بزرگتر از ضرایب نفوذ آنیون می¬باشد. همچنین مقدار این ضرایب برای سیستم¬های محلول بزرگتر از سیستم¬های خالص مشابه است. این موضوع تاثیر مستقیمی روی اعداد انتقالی دارد و نتایج مشابهی برای اعداد انتقالی را ارائه می¬کند. همچنین حضور گاز نفوذ کاتیون را بیشتر تحت تاثیر خود قرار می¬دهد.
- Abstract
- Abstract In this work thermodynamic behavior, structural characteristics, and physicochemical properties of the pure ionic liquids and their aqueous solutions (mixtures) with carbon nanotubes and SO2 gas were studied with an OPLS-AA force field via molecular dynamics simulations. In section 1, mentioned studies were done for the system involving pure ionic liquid and its mixture with carbon nanotubes. The (6,6) and (6,5) single walled-carbon nanotubes with different chiralities and 1- n- propyl- 4- amino- 1, 2, 4- triazolium bromide ionic liquid considered in this work. The diffusion of cation and anion inside (6,6) nanotube and aggregative behavior of bromide ions was observed in both of two end of a nanotube immersed in ionic liquid. It is observed in the first solvated shell, cations are absorbed on the surface of the carbon nanotube from three different positions and the first peak in the solvated shell of cation appears at smaller distances than the anion. The study of six carbon nanotubes immersed in ionic liquid show the aggregative nanotubes will be separated in region that they have more contact surface with solvent and internal nanotubes show a bit resistance versus dispersion. In contrast, the same bundle systems are resistance to the dispersive forces. In these systems the interactions ?-? between the interfaces of nanotubes molecules are stronger than those for the same non–bundled systems. The contact surface between the solvent and the nanotubes decreased in these systems. The diheedal angle between the plane of the ring of the ionic liquid cation and the SWCNT surface was calculated and it showed that the imidazole ring of cations in the first solvated shell are parallel to the nanotube surface. The MSD, diffusion coefficients, and transference numbers of the anions and cations have also been studied, and were observed which the cations have larger diffusion coefficients. Also, compared to the non–bundled system, the bundle systems have larger diffusion coefficients. In these systems, cations have larger transference numbers than the anions (t_+>0/5). It is shown that within this time, the dynamics of this ionic liquid are glassy and subdiffusive. In section 2, in order to study the effect of SO2 on physicochemical properties of ILs, in the second section, system including pure ILs with cation of 1-ethyle – 3 methyle imidazole and five different type of anion in two category I) Cl^-,Br^- II) NO_3^- و PF_6^- ،BF_4^- and system containing this ILs with SO2 were investigated. One of the main aims of this research is investigating the effect of anion on the ability of gas absorption by ILs. Structural features of pure and solution systems studied by investigating radial distribution function. The results showed that by the addition of SO2 local interaction of cation and anion strengthen but structural order of ILs local proximity was preserved. Presence of gas strengthens columbic interaction of ILs in local distances but disorganize the long-range order. For accurate analysis of coordination number, the algorithms that quantitatively calculate charge per surface area (?) and available space for cation around anion (?anion) was designed. Comparing the relative coordination number of anions shows that different coordination number for each anion is consequence of compatibility between ?anionand ?anion. Radial distribution functions of gas around anions and cations showed that the interaction of gas with anions is much greater and effective than its interaction with cations. Comparing coordination number of solution systems lead to the fact that whatever two factor of ?anionand ?anion act in the same direction the ability of gas for absorbing anion will be greater which it can be used for predicting absorption capacity on novel designed ILs. Arrangement of observed coordination number for cation and local gas of different anions shows that there in no differences in ?anion and ?anion parameters for various acids. Graghs of mean squared displacement were considered for study the effect of SO2 gas on physicochemical properties of ILs. It was shown that presence of SO2 lead to the increase of diffusion and conductivity coefficients, specific heat capacity in constant volume and density but it increase the transition numbers of anions and decreas cations. Results of diffusion coefficient of anions and cations suggest that in the liquid state this number for cations and solution systems is greater than anions and pure systems. This subject directly affects the transition numbers and shows the same results. Presence of gas further affects diffusion of cation and has the largest diffusion contribution in solution.
