超临界水中醋酸锌水解反应的分子动力学模拟

doi:10.3866/PKU.WHXB201210123

物理化学学报 >> 2013, Vol. 29 >> Issue (01): 23-29.doi: 10.3866/PKU.WHXB201210123

超临界水中醋酸锌水解反应的分子动力学模拟

王晓娟, 李志义, 刘志军

大连理工大学化工机械学院, 流体与粉体工程设计研究所, 辽宁大连 116023

收稿日期:2012-08-09 修回日期:2012-10-12 发布日期:2012-12-14
通讯作者: 刘志军 E-mail:liuzj@dlut.edu.cn
基金资助:
中央高校基本科研业务费专项资金(852001)资助项目

Molecular Dynamics Simulations on Hydrolysis of Zinc Acetate in Supercritical Water

WANG Xiao-Juan, LI Zhi-Yi, LIU Zhi-Jun

Institute of Fluid and Powder Engineering, College of Chemical Machinery, Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning Province, P. R. China

Received:2012-08-09 Revised:2012-10-12 Published:2012-12-14
Supported by:
The project was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (852001).

摘要/Abstract

摘要：

氧化锌(ZnO)是一种重要的化工原料, 超临界水热合成法制备纳米ZnO的第一步是锌盐与碱或水发生水解反应生成Zn(OH)₂, 后者接着脱水生成ZnO. 以Zn(CH₃COO)₂为原料, 直接和超临界水(SCW)反应能够制备纳米级的ZnO颗粒, 但对反应机理的探讨较少. 本研究利用分子动力学模拟超临界条件下Zn(CH₃COO)₂水解反应过程中的结构和能量变化, 发现Zn(CH₃COO)₂在SCW中容易聚集成无定形的团簇, 1个Zn²⁺平均和5个CH₃COO^-和1个H₂O配位, 形成6配位的八面体结构. 处于Zn(CH₃COO)₂团簇和SCW界面的Zn²⁺能够和更多的H₂O配位. 水解反应后系统的势能降低, 同时伴随Zn(CH₃COO)₂团簇结构的改变. 反应产物OH^-分布在Zn(CH₃COO)₂团簇内部, 富集Zn²⁺, 而CH₃COOH则分布在SCW中. 本文的工作为超临界水热合成的反应过程提供了基本的理论依据.

关键词: 氧化锌, 醋酸锌, 超临界, 水热合成, 水解反应, 分子动力学模拟

Abstract:

Zinc oxide (ZnO) is a multifunctional material with wide applications in chemical engineering.Hydrothermal synthesis of ZnO under supercritical conditions from salt solutions containing zinc ions is an environmentally safe process. Two reaction steps are involved, zinc hydroxide sol formation and dehydration from the sol. However, little is known about the underlying mechanism. In this study, molecular dynamics simulations were performed to investigate the structural and thermodynamic changes in the zinc acetate hydrolysis process, i.e., Zn(CH₃COO)₂, in supercritical water (SCW). Our results show that Zn(CH₃COO)₂ is prone to aggregate in SCW. On average, one Zn²⁺ ion coordinates with five CH₃COO^- species and one H₂O molecule, forming an octahedral configuration. WHowever, more water molecules bind Zn²⁺ at the SCW interface to form Zn(CH₃COO)₂ clusters. The total potential energy of each system decreases after the hydrolysis of Zn(CH₃COO)₂, suggesting that it is a thermally favorable process in SCW. The OH^- reaction product incorporates into the amorphous Zn(CH₃COO)₂ cluster and CH₃COOH is in the SCW phase. Our results provide a general theoretical framework for the Zn(CH₃COO)₂ hydrothermal synthesis in SCW.

Key words: Zinc oxide, Zinc acetate, Supercritical water, Hydrothermal synthesis, Hydrolysis, Molecular dynamics simulation

王晓娟, 李志义, 刘志军. 超临界水中醋酸锌水解反应的分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2013, 29(01), 23-29. doi: 10.3866/PKU.WHXB201210123

WANG Xiao-Juan, LI Zhi-Yi, LIU Zhi-Jun. Molecular Dynamics Simulations on Hydrolysis of Zinc Acetate in Supercritical Water[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29(01), 23-29. doi: 10.3866/PKU.WHXB201210123

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201210123

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2013/V29/I01/23

参考文献

(1) Wang, X. J.; Hu, S. J.; Liu, X.W.; Li, Z. Y.; Hu, D. P. Chem.Eng. Oil. Gas 2007, 36, 362. [王晓娟, 胡施俊, 刘学武,李志义, 胡大鹏. 石油与天然气化工, 2007, 36, 362.]
(2) Wang, X. J.; Liu, X.W.; Xia, Y. J.; Li, Z. Y. J. Chem. Ind. Eng.2007, 28, 18. [王晓娟, 刘学武, 夏远景, 李志义. 化学工业与工程技术, 2007, 28, 18.]
(3) Dai, L.; Cheong,W. C.; Sow, C. H.; Lim, C. T.; Tan, V. B.Langmuir 2010, 26, 1165. doi: 10.1021/la9022739
(4) Matubayasi, N.;Wakai, C.; Nakahara, M. J. Chem. Phys. 1999,110, 8000. doi: 10.1063/1.478728
(5) Zhou, J.; Lu, X. H.;Wang, Y. R.; Shi, J. Acta Phys. -Chim. Sin.1999, 15, 1017. [周健, 陆小华, 王延儒, 时钧. 物理化学学报, 1999, 15, 1017. ] doi: 10.3866/PKU.WHXB19991112
(6) Sue, K.; Murata, K.; Kimura, K.; Arai, K. Green Chem. 2003, 5,6 59. doi: 10.1039/b306544h
(7) Viswanathan, R.; Gupta, R. B. J. Supercrit. Fluids 2003, 27,1 87. doi: 10.1016/S0896-8446(02)00236-X
(8) Sue, K.; Kimura, K.; Yamamoto, M.; Arai, K. Mater. Lett. 2004,58, 3350. doi: 10.1016/j.matlet.2004.06.036
(9) Ma, H. B. J. Chem. Phys. 2012, 136, 214501. doi: 10.1063/1 .4720575
(10) Lümmen, N.; Kvamme, B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9,3 251. doi: 10.1039/b703430j
(11) Nahtigal, I. G.; Zasetsky, A. Y.; Svishchev, I. M. J. Phys. Chem.B 2008, 112, 7537. doi: 10.1021/jp709688g
(12) Nahtigal, I. G.; Svishchev, I. M. J. Phys. Chem. B 2009, 113,1 4681. doi: 10.1021/jp9039572
(13) Zhou, J.; Zhu, Y.;Wang,W. C.; Lu, X. H.;Wang, Y. R.; Shi, J.Acta Phys. -Chim. Sin. 2002, 18, 207. [周健, 朱宇, 汪文川 , 陆小华, 王延儒, 时钧. 物理化学学报, 2002, 18, 207.]d oi: 10.3866/PKU.WHXB20020304
(14) Lümmen, N.; Kvamme, B. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 12374.d oi: 10.1021/jp710156b
(15) Lümmen, N.; Kvamme, B. J. Supercrit. Fluids 2008, 47, 270.d oi: 10.1016/j.supflu.2008.07.017
(16) Lümmen, N.; Kvamme, B. J. Chem. Phys. 2010, 132, 014702.d oi: 10.1063/1.3270158
(17) Zhang, J. L.; He, Z. H.; Han, Y.; Li,W.;Wu, J. J. X.; Gan, Z. X.;G u, J. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 1691. [张金利, 何正华 , 韩优, 李韡, 武江洁星, 甘中学, 谷俊杰. 物理化学学报 , 2012, 28, 1691.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201205032
(18) Jorgensen,W. L.; Chandrasekhar, J.; Madura, J. D.; Impey, R.W .; Klein, M. L. J. Chem. Phys. 1983, 79, 926. doi: 10.1063/1 .445869
(19) Mizan, T. I.; Savage, P. E.; Ziff, R. M. J. Phys. Chem. 1994, 98,1 3067. doi: 10.1021/j100100a042
(20) Jorgensen,W. L.; Maxwell, D. S.; Tirado-Rives, J. J. Am. Chem.Soc. 1996, 118, 11225. doi: 10.1021/ja9621760
(21) Wang, J.; Cieplak, P.; Kollman, P. A. J. Comput. Chem. 2000,21, 1049. doi: 10.1002/(ISSN)1096-987X
(22) Van Der Spoel, D.; Lindahl, E.; Hess, B.; Groenhof, G.; Mark,A . E.; Berendsen, H. J. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1701. doi: 1 0.1002/jcc.20291
(23) Darden, T.; York, D.; Pedersen, L. J. Chem. Phys. 1993, 98,1 0089. doi: 10.1063/1.464397
(24) Steven, S. Z. Chemical Principles, 6th ed.; Houghton MifflinC ompany: Boston, 2009.
(25) Hughes, J. T.; Navrotsky, A. J. Chem. Thermodynamics 2011,43, 980. doi: 10.1016/j.jct.2011.02.004
(26) Discovery Studio 2.5; Accelrys Software Inc.: San Diego, CA,2 008.

[1]	马骋, 窦翔宇, 刘泽宇, 廖培龙, 朱志扬, 刘卡尔顿, 黄建滨. 一种新型CO₂/原油助混剂CAA8-X的应用与助混机理[J]. 物理化学学报, 2022, 38(8): 2012019 - .
[2]	王键, 尹波, 高天, 王星懿, 李望, 洪兴星, 汪竹青, 何海勇. 还原氧化石墨烯改性少层剥离石墨增强石墨基钾离子电池负极稳定性[J]. 物理化学学报, 2022, 38(2): 2012088 - .
[3]	曹冲, 张裴, 曹立冬, 刘铭鑫, 宋玉莹, 陈鹏, 黄啟良, 韩布兴. 液滴在超疏水植物叶面的沉积：实验和分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2022, 38(12): 2207006 - .
[4]	陈文琼, 关永吉, 张姣, 裴俊捷, 张晓萍, 邓友全. 外电场作用下离子液体振动光谱变化的分子动力学模拟研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(10): 2001004 - .
[5]	张涛,仇运广,罗启超,程曦,赵丽芬,严昕,彭浡,蒋华良,阳怀宇. 钙离子和镁离子浓度变化对磷脂酰乙醇胺-磷脂酰甘油双分子层膜的影响[J]. 物理化学学报, 2019, 35(8): 840 -849 .
[6]	许谢君,肖兴庆,徐首红,刘洪来. 亮氨酸拉链型脂肽对脂质体温敏性调节的分子模拟[J]. 物理化学学报, 2019, 35(6): 598 -606 .
[7]	吕康杰,彭燕秋,肖丽,陆君涛,庄林. 醇/水混合溶剂中碱性聚合物电解质独特的溶解行为[J]. 物理化学学报, 2019, 35(4): 378 -384 .
[8]	刘艳芳,胡兵,尹雅芝,刘国亮,洪昕林. 无表面活性剂条件下一锅法制备金属/氧化锌复合材料用于催化二氧化碳加氢制甲醇反应[J]. 物理化学学报, 2019, 35(2): 223 -229 .
[9]	杨化超,薄拯,帅骁睿,严建华,岑可法. 润湿特性对超级电容器储能动力学的影响机理[J]. 物理化学学报, 2019, 35(2): 200 -207 .
[10]	陈文琼,关永吉,张晓萍,邓友全. 分子动力学模拟研究外电场对咪唑类离子液体振动谱的影响[J]. 物理化学学报, 2018, 34(8): 912 -919 .
[11]	刘夫锋,范玉波,刘珍,白姝. Z_Aβ3和A_β16-40亲和作用的分子机理解析[J]. 物理化学学报, 2017, 33(9): 1905 -1914 .
[12]	鞠广凯,陶占良,陈军. α-MnO₂纳米管自组装微球的可控制备及电化学性能[J]. 物理化学学报, 2017, 33(7): 1421 -1428 .
[13]	王子民,郑默,谢勇冰,李晓霞,曾鸣,曹宏斌,郭力. 基于ReaxFF力场的对硝基苯酚臭氧氧化分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2017, 33(7): 1399 -1410 .
[14]	曹了然,张春煜,张鼎林,楚慧郢,张跃斌,李国辉. 分子动力学模拟技术在生物分子研究中的进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(7): 1354 -1365 .
[15]	陈芳,刘圆圆,王建龙,苏宁宁,李丽洁,陈红春. 混合溶剂对β-HMX结晶形貌影响的分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2017, 33(6): 1140 -1148 .

超临界水中醋酸锌水解反应的分子动力学模拟

Molecular Dynamics Simulations on Hydrolysis of Zinc Acetate in Supercritical Water

PDF

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

Metrics

推荐阅读 0