CN110762950B - 高电压对多孔石墨烯进行除湿的方法、模拟方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高电压对多孔石墨烯进行除湿的方法、模拟方法和装置，选取两块相互平行的石墨烯板，水分子位于两块石墨烯板之间，石墨烯板上留有缺陷，缺陷孔径不小于7.7埃，在石墨烯板外施加垂直于石墨烯板的电场，以使得水分子从缺陷处离开，电场强度不小于1V/nm。本发明干燥过程中不需要额外的化学试剂，只需要施加一个比较弱的电场，因此干燥成本很低；由于石墨烯中的缺陷是普遍存在的，因此本发明的干燥方法几乎适用于所有石墨烯，适用范围广；利用电场进行的干燥速度很快，并且去除电场后的水分能够停留在石墨烯外侧，不易重新进入石墨烯中，干燥稳定性好；干燥过程维持在常温下，减少干燥过程所需能耗。

Description

高电压对多孔石墨烯进行除湿的方法、模拟方法和装置

【技术领域】

本发明涉及一种高电压对多孔石墨烯进行除湿的方法、模拟方法和装置，属于石墨烯干燥领域。

【背景技术】

氧化石墨烯是一种极易受潮的材料，受潮后的氧化石墨烯对其材料性能产生了很大的影响。2006年的一篇文章中报道了一种实验用氧化石墨烯的干燥方法，氧化石墨烯材料经过一个月的浓硫酸和硅胶干燥器干燥后基本将水分脱除，但是当干燥后的氧化石墨烯暴露在50％湿度空气中3h后材料间隙内便重新充满水。由上述方法可知，现有对氧化石墨烯干燥的方法耗时长，手段复杂，且易二次受潮。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供一种快速、稳定的高电压对多孔石墨烯进行除湿的方法、模拟方法和装置。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种高电压对多孔石墨烯进行除湿的方法，选取两块相互平行的石墨烯板，水分子位于两块石墨烯板之间，石墨烯板上留有缺陷，缺陷孔径不小于7.7埃，在石墨烯板外施加垂直于石墨烯板的电场，以使得水分子从缺陷处离开，电场强度不小于1V/nm。

本发明所述缺陷轮廓为六边形。

本发明温度为295-310K。

本发明相邻石墨烯板间距不大于4nm。

本发明缺陷孔径增加，以降低电场强度下限。

本发明电场强度小于10V/nm。

一种基于高电压对多孔石墨烯进行除湿的模拟方法，选取长为9.7nm、宽为8.4nm、间距为2nm的两块相互平行的石墨烯板，单块石墨烯板上碳原子数量为6400个，水分子数量为509个，且位于两块石墨烯板中间，水分子采用单点电荷模型，通过Lennard-Jones势函数计算水分子与石墨烯板间的相互作用，其中模拟步长为0.5*10³ps，模拟时间为10ns。

本发明模拟过程采用NVT系综，对温度的控制采用Nose-Hoover热浴法，电场强度为0～4V/nm。

一种高电压对多孔石墨烯进行除湿的装置，包括至少两块以上相互平行的带电基板，相邻的带电基板所带电荷电性相反，相邻的带电基板之间设置有至少两块以上相互平行的石墨烯板，石墨烯板平行于带电基板。

本发明相邻的两个带电基板间距至少为1mm，位于两个相邻带电基板之间的两个相邻石墨烯板间距不大于4nm。

相比现有技术，本发明的有益效果为：

1、干燥过程中不需要额外的化学试剂，只需要施加一个比较弱的电场，因此干燥成本很低；

2、由于石墨烯中的缺陷是普遍存在的，因此本发明的干燥方法几乎适用于所有石墨烯，适用范围广；

3、利用电场进行的干燥速度很快，并且去除电场后的水分能够停留在石墨烯外侧，不易重新进入石墨烯中，干燥稳定性好；

4、干燥过程维持在常温下，减少干燥过程所需能耗。

本发明的其他特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。

【附图说明】

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明实施例1中石墨烯板的球棍图；

图2为本发明实施例2中石墨烯板的球棍图；

图3为本发明实施例3中石墨烯板的球棍图；

图4为本发明实施例4中石墨烯板的球棍图；

图5为本发明实施例2中水分子蒸发量对时间变化图；

图6为本发明实施例3中水分子蒸发量对时间变化图；

图7为本发明实施例4中水分子蒸发量对时间变化图；

图8为本发明实施例5中水分子蒸发量对时间变化图；

图9为本发明实施例6中水分子蒸发量对时间变化图；

图10为本发明实施例7中水分子蒸发量对时间变化图；

图11为本发明实施例8高电压对多孔石墨烯进行除湿的装置的主视结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

在x轴上选取9.7nm长度，y轴上选取8.40nm长度，z轴上选取20nm长度，以构成模拟盒。选取两块长宽分别为9.7nm和8.40nm的石墨烯板，两块石墨烯板均平行于XOY平面内，两块石墨烯板在z轴上的间距设定为2nm。单个石墨烯板上共有6400个C原子，石墨烯板上存在六边形形状的缺陷。初始状态下两块石墨烯板的中心共有509个水分子。两块石墨烯板和所有水分子均位于上述模拟盒内。

碳原子视为中性的Lennard-Jones粒子，通过如下Lennard-Jones(L-J)势函数计算水分子与石墨烯板间的相互作用。

Δz表示水分子中氧原子到石墨烯板的距离，σoc＝0.33nm，εoc＝0.48kJ/mol。干燥过程设定的温度为300K，采用NVT系综，以在模拟过程中固定温度。干燥过程模拟步长设定为0.5*10³ps，模拟时间为10ns。采用Nose-Hoover热浴法，并在模拟过程中固定碳原子位置，并且忽略水分子之间的相互作用。

首先在不施加额外电场的情况下对模拟盒内进行恒温分子动力学模拟，以平衡水团簇，避免后续出现结构不合理的情况，提供初始状态。

在z轴方向上施加不大于10v/nm的电场，以使得水分子能够满足应用扩展的单点电荷(SPC/e)模型的条件。本实施例中分别施加E＝0V/nm，1V/nm，1.5V/nm，2V/nm，2.5V/nm，3V/nm，3.5V/nm进行模拟水分子的运动情况。

参见图1，本实施例中缺陷孔径为

不论在哪一种电场作用下，水分子均没有从缺陷中离开，此外所有水分子形成的水团簇均未发生分离现象。故而采用电场除湿的方法并不适用于缺陷尺寸过小的石墨烯板。

实施例2：

参见图2和5，本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中缺陷尺寸为

E＝0V/nm、1V/nm和1.5V/nm的情况下，水分子团簇未分离，且水分子没有从缺陷处蒸发。

当E＝2V/nm时，水分子团簇发生分离，但是未有水分子由缺陷处离开石墨烯板，虽然在8ns时有极少量水分子蒸发，但是马上会回到石墨烯板的内部。

当E＝2.2V/nm时，有极少数的水分子从缺陷处离开石墨烯板。

当E＝2.5V/nm时，在前2ns时间内水分子依然没有蒸发，2ns之后逐步缓慢有少数水分子蒸发，在2ns-8ns之间，水分子蒸发速度较为缓慢，8ns之后水分子蒸发速度略有提升，但是依然较为缓慢。

当E＝3V/nm时，从刚施加电场开始便有水分子从缺陷处离开，在前2ns内水分子蒸发速度较慢，但是2ns之后水分子的蒸发速度骤升，且蒸发速率基本维持恒定。

如果在10ns时撤去电场，石墨烯板外侧的水分子凝结形成半球状，并在石墨烯板的外侧进行随机运动。而两块石墨烯板之间的水分子则凝结呈现为圆柱体状，并在两块石墨烯板之间做随机运动。石墨烯外侧的水分子和石墨烯中间的水分子相互独立，二者的相互随机运动不会产生相互影响。

如果在30ns时撤去电场，水分子会先在石墨烯板外侧凝集成一个球形的团簇，之后受到石墨烯的影响，被吸附在石墨烯板上形成一个半球体的团簇。

当E＝3.5V/nm时，从0ns开始，水分子便以较大且较为稳定的速度蒸发至石墨烯板的外侧。

由此可知，在低电场强度条件下，并不足以将水分子送往石墨烯板的外侧。在中等电场强度条件下，水分子的蒸发速度大致分为两段，第一段蒸发过程中蒸发速度很小，而后段水分子的蒸发速度会得到一次提升，且外加电场强度越大，该提升效果约为明显。在强电场强度条件下，水分子以稳定地较快的速度实现蒸发。

实施例3：

参见图3和6，本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中缺陷尺寸为

当E＝1V/nm时，水分子的团簇没有分开，且团簇逐渐朝向远离石墨烯板上缺陷处位置移动，相应也不存在蒸发至石墨烯板外的水分子。

当E＝1.5V/nm时，水分子的团簇移动至石墨烯板的缺陷处，但是绝大多数水分子仍然停留在石墨烯板内部，仅有少量的水分子蒸发至缺陷外。同时位于缺陷外的水分子会重新回到两块石墨烯板的中间，因此蒸发效果并不稳定。

当E＝2V/nm时，绝大多数的水分子均移动至缺陷外侧，且从0ns开始蒸发速度就较为稳定。且在6ns左右，水分子已经稳定有494个在石墨烯板的外侧。当E＝2V/nm维持10ns之后撤去电场继续模拟10ns，此时石墨烯板外的水分子迅速凝聚成水滴维持在缺陷外侧进行随机运动。少部分靠近石墨烯板的水分子凝结成半球状，此时仍停留在两块石墨烯板之间的水分子也逐渐移动至缺陷外，并与石墨烯板外侧的水分子汇合，两块石墨烯板之间的水分子数量为0。此时重新施加2V/nm的电场强度后，位于石墨烯板外侧的水滴形成锥形结构，并且只会在石墨烯板的外侧进行随机运动。

当E＝2.5V/nm时，与E＝2V/nm时情况相似，但是整个蒸发过程基本在4ns左右已经完成，且最大蒸发的水分子数量为493个，与E＝2V/nm时最大蒸发数量持平。因此外加电场强度的提升有效提升蒸发速率，但是不会影响蒸发比例。

此外，相比实施例2的E＝2.5V/nm，本实施例E仅需要2V/nm，就能够使水分子产生较为明显的蒸发效果。

实施例4：

参见图4和7，本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中缺陷尺寸为

当E＝1.2V/nm时，仅有极少数水分子蒸发至缺陷外。

当E＝1.5V/nm时，前0.5ns内水分子几乎没有蒸发，0.5ns之后，水分子快速蒸发至石墨烯板的外侧，在4ns左右稳定于石墨烯板外侧的水分子数量在460个。

当E＝2V/nm时，在2ns内水分子便有470个蒸发至石墨烯板的外侧，且在后9ns内蒸发的水分子数量便不再改变。

当E＝2.5V/nm时，相比E＝2V/nm时水分子蒸发的速度更快，但是最后稳定在石墨烯板外的水分子数量大致相同。

基于实施例3和4可以得到，电场对水分子蒸发数量的上限是有缺陷尺寸决定，且并非缺陷尺寸越大蒸发的比例越高。

实施例5：

参见图8，本实施例与实施例2的区别在于，两块石墨烯板在z轴上的间距设定为4nm。

当E＝2V/nm时，依然没有水分子离开石墨烯板的中间。

当E＝2.5V/nm时，在10ns时有160个水分子蒸发到石墨烯板的外侧，而实施例2中在10ns时仅有100个水分子蒸发至石墨烯板的外侧。

当E＝3V/nm时，在10ns时有190个水分子蒸发到石墨烯板的外侧，而实施例2中在10ns时有200个水分子蒸发至石墨烯板的外侧。

当E＝3.5V/nm时，在10ns时有190个水分子蒸发到石墨烯板的外侧，而实施例2中在10ns时有260个水分子蒸发至石墨烯板的外侧。

实施例6：

参见图9，本实施例与实施例3的区别在于，两块石墨烯板在z轴上的间距设定为4nm。

当E＝1V/nm时，依然没有水分子离开石墨烯板的中间。

当E＝1.5V/nm时，在3ns之前仅有50个水分子蒸发，而3-10ns时蒸发速度变快，10ns时共350个水分子蒸发。而实施例3中还未有水分子蒸发。

当E＝2V/nm时，在1ns的时间内，有130个水分子蒸发，1ns-9ns之间的时间内，蒸发速度逐渐放缓，9ns时有500个水分子蒸发，而在9-10ns时间内有10个左右的水分子回到石墨烯板中间。而在实施例3中，在1ns的时间内，有70个水分子蒸发，在3ns时蒸发速度会有小幅的增大，且整个蒸发过程没有水分子回到石墨烯板的中间。

当E＝2.5V/nm时，水分子一开始就以较快的速度进行蒸发，在3ns时蒸发速度放缓，在6ns是基本维持在500个水分子的蒸发数量。而在实施例3中蒸发在4ns时基本已经完成，但是水分子的最大蒸发数量仅有493个。

实施例7：

参见图10，本实施例与实施例4的区别在于，两块石墨烯板在z轴上的间距设定为4nm。

当E＝1.5V/nm时，前0.5ns时水分子快速蒸发，0.5-3ns内蒸发速度放缓，然后维持最大蒸发数量在400个左右。而实施例4中，在4ns时达到最大蒸发数量460个左右。

当E＝2V/nm时，在0.5ns水分子以较快速度蒸发至最大数量400左右，而实施例4中在1ns内水分子快速蒸发，在1-2ns是水分子蒸发速度放缓，并在2ns时达到最大蒸发数量470个。

当E＝2.5V/nm时，在0.5ns水分子以较快速度蒸发至最大数量410左右，而实施例4中在1ns时以较快速度达到460个，然后在1-2ns区间内缓慢达到最大蒸发数量470个。

由实施例5-7可知，石墨烯板间距的增大对水分子蒸发的影响有利有弊。

实施例8：

参见图11，本实施例提供了一种高电压对多孔石墨烯进行除湿的装置，对实施例1-7进行石墨烯除湿。

高电压对多孔石墨烯进行除湿的装置包括至少两块以上相互平行的带电基板1，相邻的带电基板1所带电荷电性相反。相邻的带电基板1之间设置有至少两块以上相互平行的石墨烯板2，石墨烯板2平行于带电基板1。利用相邻带电基板1之间产生的电场对位于石墨烯板2之间的水分子进行去除。

相邻的两个带电基板1间距至少为1mm，位于两个相邻带电基板1之间的两个相邻石墨烯板2间距不大于4nm，以使得在两个相邻带电基板1之间留出足够的空隙以供水分子离开。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (8)

1.一种高电压对多孔石墨烯进行除湿的方法，其特征在于：选取两块相互平行的石墨烯板，水分子位于两块石墨烯板之间，石墨烯板上留有缺陷，缺陷孔径不小于7.7埃，在石墨烯板外施加垂直于石墨烯板的电场，以使得水分子从缺陷处离开，电场强度不小于1V/nm。

2.根据权利要求1所述的高电压对多孔石墨烯进行除湿的方法，其特征在于：所述缺陷轮廓为六边形。

3.根据权利要求1所述的高电压对多孔石墨烯进行除湿的方法，其特征在于：温度为295-310K。

4.根据权利要求1所述的高电压对多孔石墨烯进行除湿的方法，其特征在于：相邻石墨烯板间距不大于4nm。

5.根据权利要求1所述的高电压对多孔石墨烯进行除湿的方法，其特征在于：缺陷孔径增加，以降低电场强度下限。

6.根据权利要求1所述的高电压对多孔石墨烯进行除湿的方法，其特征在于：电场强度小于10V/nm。

7.一种高电压对多孔石墨烯进行除湿的装置，其特征在于：包括至少两块以上相互平行的带电基板，相邻的带电基板所带电荷电性相反，相邻的带电基板之间设置有至少两块以上相互平行的石墨烯板，石墨烯板平行于带电基板,水分子位于两块石墨烯板之间，石墨烯板上留有缺陷，缺陷孔径不小于7.7埃。

8.根据权利要求7所述的高电压对多孔石墨烯进行除湿的装置，其特征在于：相邻的两个带电基板间距至少为1mm，位于两个相邻带电基板之间的两个相邻石墨烯板间距不大于4nm。

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