基于分子动力学的钠离子与纳米二氧化硅表面的相互作用过程模拟

编号：NMJS09271

篇名：基于分子动力学的钠离子与纳米二氧化硅表面的相互作用过程模拟

作者：张凤娟 张磊 吕振虎 麦尔耶姆古丽·安外尔 余维初 王牧群 董景锋 庄为杰

关键词： 分子模拟 纳米SiO2 钠离子 水合离子 表面作用

机构： 中国石油新疆油田分公司工程技术研究院 中国地质大学油气勘探开发理论与技术湖北省重点实验室 长江大学化学与环境工程学院

摘要： 认识盐水中的Na+对纳米SiO2的作用过程,可为优化纳米SiO2在石油开采领域的应用参数提供依据。以无定形纳米SiO2粒子为研究对象,构建了一种既有饱和稳定的硅醇基团,又有脱质子化的硅醇基团的纳米SiO2粒子模型。通过分子模拟方法,刻画了Na+在纳米SiO2表面的运移特征、扩散行为、对氢键的影响以及体系中的相互作用能。结果表明,在纳米SiO2-NaCl溶液体系中,当Na+运移至距纳米SiO2粒子表面6.540A时,短程力开始起作用;当Na+运移至距纳米SiO2粒子表面2~3A时,二者发生电荷交换,Na+产生振荡运动。在NaCl质量浓度为3 g/L时,Na+与水分子主要进行水合作用,形成稳定的溶剂化层,Na+与纳米SiO2粒子之间的作用力弱,Na+更易在溶液中扩散。随着NaCl质量浓度增至7 g/L,Na+突破溶剂化层,和水分子一起被吸附到纳米SiO2粒子的表面,发生电荷置换,Na+的运移能力减弱,扩散系数由1.39×10-4A2/ps下降至3.75×10-5A2/ps,斯特恩层的厚度由0.88A下降至0.72A,亥姆霍兹层的厚度由0.64A下降至0.20A,纳米SiO2与Na+之间的相互作用能由-14 000 kcal/mol变为-22 000 kcal/mol,纳米SiO2的稳定性逐渐被破坏。Na+与纳米SiO2粒子的静电相互作用是影响纳米SiO2粒子表面性质的主要作用力,氢键和范德华力则是次要作用力。研究结果可为纳米SiO2材料在油气开采领域及其他相关行业的应用提供基础理论认识。