《計算機模擬質子型離子液體的氫鍵及質子傳輸性質》是依託南開大學，由言天英擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：計算機模擬質子型離子液體的氫鍵及質子傳輸性質
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：言天英
- 依託單位：南開大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
在本申請中，我們計畫使用計算機模擬方法對質子型離子液體（protic ionic liquid或PIL）中陰陽離子相互作用及其氫鍵網路的結構及動力學性質進行研究。本申請中所針對的PIL為銨鹽類和咪唑、三唑類及其衍生物。由於氫鍵及極化效應在PIL中的重要性，本申請計畫通過極化分子力場研究PIL中的氫鍵結構與動力學性質，並計算PIL體系光譜性質，以期對PIL中的氫鍵結構其性能的影響做出評價。在此基礎上，使用多態經驗價鍵模型和從頭算分子動力學模擬來系統研究PIL中的質子傳輸機理，探究PIL中氫鍵對其結構與動力學性質及質子傳輸性能的影響。本申請的研究目標在於，通過設計陰陽離子的組合、以及改變離子的官能取代基團，來調控PIL中的氫鍵結構及相互作用，以增進PIL的質子傳輸性能，為設計高性能的質子傳輸PIL電解質體系提供理論指導。
結題摘要
深入理解質子型離子液體中的中氫鍵的結構和動力學性質，並在此基礎上探索該體系的質子傳輸性質具有重要的科學意義及實際套用價值。本項目採用分子動力學模擬方法來研究質子型離子液體體系，探索其結構與動力學間的關聯。經過4年的研究，獲得如下成果：（1）通過基於多態經驗價鍵（MS-EVB）模型及基於第一性原理勢能面的分子動力學模擬研究了質子在咪唑型離子液體界面及離子液體塑晶中的結構及動力學。研究表明，當質子化的咪唑陽離子在液體/真空界面處時，界面的瞬態漲落受到限制。因此，相對於非極性的真空界面，咪唑陽離子更加傾向於留在極性的液態咪唑本體中。在質子型離子液體塑晶中，質子在咪唑基團間的跳躍與陰離子存在協同作用，陰離子轉動可以誘導質子發生Grotthuss跳躍。本研究可望為質子型離子液體中陰離子的設計提供了新的理解和思路。（2）通過基於多態經驗價鍵（MS-EVB）模型對質子在水體系傳輸中溶劑化層氫鍵的動力學進行了研究。研究表明，在質子傳輸與其溶劑化層中氫鍵的重組有著密切的聯繫。在質子的誘導效應下，其溶劑化層中的接受型氫鍵減弱，而給予型氫鍵增強。在質子傳輸中，接受端的溶劑化層的接受型氫鍵更容易發生斷裂，且在兩端第二溶劑化層內接受型氫鍵的形成和斷裂事件促使了質子傳輸事件的發生。這種溶劑化層中不同類型的氫鍵對於對溶液結構及動力學行為的影響對於離子液體及溶液體系具有普適性。（3）由於極化分子力場的發展對於離子液體的分子動力學模擬研究具有重要意義。在基金的支持下，我們開發出一套基於Drude模型的極化分子力場。該模型可以很好的擬合出基於ab initio計算的各向異性的極化率，並且可以與目前主流的分子動力學計算程式具有很好的相容性。基於Drude模型的離子液體極化分子力場實現起來更加簡單，並且更加能夠代表分子及離子中靜電相互作用的本徵特性。根據目前的進展，可望在1-2年內構建出一套適用於離子液體的基於Drude模型的極化分子力場。
