水/石墨烯界面离子吸附的分子动力学模拟: 力场参数优化与吸附机制

doi:10.7503/cjcu20230155

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (10): 20230155.doi: 10.7503/cjcu20230155

水/石墨烯界面离子吸附的分子动力学模拟: 力场参数优化与吸附机制

廖首维¹, 刘炎昌¹, 石泽南¹, 赵道辉², 魏嫣莹¹^,³(), 李理波¹^,³()

^1.华南理工大学化学与化工学院, 广东省绿色化学产品技术重点实验室, 广州 510640
^2.湖北大学化学与化工学院, 武汉 430062
^3.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室, 广州 510640

收稿日期:2023-03-30 出版日期:2023-10-10 发布日期:2023-05-31
通讯作者: 魏嫣莹,李理波 E-mail:ceyywei@scut.edu.cn;celbli@scut.edu.cn
作者简介:第一联系人：共同第一作者.
基金资助:
国家自然科学基金(22078104);国家重点研发计划项目(2021YFB3802500);广东省科技重点项目(2020B010188002);制浆造纸工程国家重点实验室开放课题(2022PY04);新型反应器与绿色化学工艺湖北省重点实验室开放课题(NRGC202207);中央高校基本科研业务费专项资金(2022ZYGXZR010)

Molecular Dynamics Simulation of Ion Adsorption at Water/Graphene Interface： Force Field Parameter Optimization and Adsorption Mechanism

LIAO Shouwei¹, LIU Yanchang¹, SHI Zenan¹, ZHAO Daohui², WEI Yanying¹^,³(), LI Libo¹^,³()

^1.Guangdong Provincial Key Lab of Green Chemical Product Technology，School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China
^2.College of Chemistry and Chemical Engineering，Hubei University，Wuhan 430062，China
^3.State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China

Received:2023-03-30 Online:2023-10-10 Published:2023-05-31
Contact: WEI Yanying, LI Libo E-mail:ceyywei@scut.edu.cn;celbli@scut.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22078104);the National Key Research and Development Program, China(2021YFB3802500);the Science and Technology Key Project of Guangdong Province, China(2020B010188002);the Opening Project of the State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering, China(2022PY04);the Opening Project of the Hubei Key Laboratory of Novel Reactor and Green Chemical Technology, China(NRGC202207);the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(2022ZYGXZR010)

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摘要/Abstract

摘要：

受限在二维纳米孔道的盐溶液的研究对离子输运与筛分、超级电容等领域具有重要意义, 而分子动力学(MD)模拟已成为其中重要的手段. 但通常MD模拟力场却很难准确描述石墨烯等二维材料与离子之间的离子-π相互作用; 溶剂效应对离子在材料表面吸附的调控作用也缺乏深入研究. 针对Li⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-离子与石墨烯材料, 本文基于平均力势(PMF)发展了模拟它们之间相互作用的力场参数. 使用该力场模拟的(溶液中)石墨烯表面离子吸附自由能与量子化学计算结果一致, 验证了其准确性. 进一步发现离子水合半径、离子接近石墨烯时水合数的拐点、 PMF_wat(溶剂对离子吸附在石墨烯表面PMF的贡献)极小值位置及石墨烯表面水层位置之间有明显关联. 在此基础上阐明了离子脱水及石墨烯表面水层状分布对PMF_wat的调控作用. 模拟了1 mol/L盐溶液/石墨烯界面体系. 以上体系使用通常力场参数模拟时, 离子在石墨烯表面吸附都很微弱, 这表明离子-π相互作用对准确模拟盐溶液-石墨烯体系不可或缺.

关键词: 石墨烯, 离子吸附, 力场参数, 平均力势, 分子动力学模拟

Abstract:

The researches of salt solution confined in two-dimensional nanochannels are of great significance in a wide range of fields such as ion transport and sieving， supercapacitor， etc.， and molecular dynamics（MD） simulations in these research have become an important tool. However， it is difficult for common MD force fields（FFs） to accurately describe the ion-π interactions between two-dimensional materials（e.g.， graphene） and ions. In addition， the role of solvent effects on regulating ion adsorption on the solution/material interface also lacks in-depth studies. In this work， we have developed the FF parameters for the interactions between Li⁺， Na⁺， K⁺， Mg²⁺， Ca²⁺， Cl^‒ ions and graphene based on the potentials of mean force（PMFs）. The ion adsorption free energies on the graphene surface（in solution） simulated using the as-developed FF coincided with the quantum chemical calculations， which verified the accuracy of the as-developed FF. Furthermore， significant correlations were found between the ion hydration radius， the inflection point of the hydration number as the ion approaches the graphene， the position of the PMF_wat（the contributions of water to the PMFs of ion adsorption on graphene surface） minima and the position of the water layer on the graphene surface， elucidating the effects of ion dehydration and the water layers on graphene surface on PMF_wat. In addition， the salt solution（concentration of 1 mol/L）/graphene interface systems were simulated. For the above systems， ions simulated by common MD FFs hardly absorb on graphene surface， which indicates that ion-π interactions are indispensable for accurately simulating the salt solution-graphene systems.

Key words: Graphene, Ion adsorption, Force field parameter, Potential of mean force, Molecular dynamics simulation

中图分类号:

O647

TrendMD:

廖首维, 刘炎昌, 石泽南, 赵道辉, 魏嫣莹, 李理波. 水/石墨烯界面离子吸附的分子动力学模拟: 力场参数优化与吸附机制. 高等学校化学学报, 2023, 44(10): 20230155.

LIAO Shouwei, LIU Yanchang, SHI Zenan, ZHAO Daohui, WEI Yanying, LI Libo. Molecular Dynamics Simulation of Ion Adsorption at Water/Graphene Interface： Force Field Parameter Optimization and Adsorption Mechanism. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(10): 20230155.

图/表 8

Fig.1 Simulation system of single ion + graphene in aqueous solution(A) and 1 mol/L salt solution/graphene interface(B)（A） The ion is placed above the center of the graphene flake（cyan and white balls represent carbon atoms and terminated hydrogen atoms， respectively） and the simulation box is filled with water； for clarity， only the oblique view shows water（cyan translucent area）；（B） the cyan， red and blue balls stand for carbon atoms， cations and anions， respectively. The cyan translucent areas are water molecules. The blue lines refer to the boundaries of the simulation box［periodic boundary conditions（PBCs） are applied in x， y and z directions］.

Table 1 LJ i-C parameters and adsorption energy of ion-graphene simulated with Merz and Netz force fields

Force field	Ion	$E a d s Q C$ ^* /（kJ·mol^-1）	σ_i_⁃C/nm	Optimized parameter		Initial parameter
Force field	Ion	$E a d s Q C$ ^* /（kJ·mol^-1）	σ_i_⁃C/nm	$ε i - C i o n - π$ /（kJ·mol^-1）	E_ad_s /（kJ·mol^-1）	$ε i - C L B$ /（kJ·mol^-1）	E_ads/（kJ·mol^-1）
Merz	Li⁺	-10.4	0.2805	1.503	-10.4	0.110	-4.0
	Na⁺	-13.8	0.2924	1.951	-13.8	0.244	-1.2
	K⁺	-12.6	0.3161	1.827	-12.4	0.591	-2.9
	Ca²⁺	-16.5	0.3043	4.102	-16.8	0.413	-2.9
	Mg²⁺	-15.7	0.2868	5.405	-15.9	0.175	-2.5
	Cl^-	-6.9	0.3552	1.483	-6.8	1.044	-0.4
Netz	Li⁺	-10.4	0.3042	0.839	-10.8	0.017	-4.8
	Na⁺	-13.8	0.3512	0.935	-13.6	0.017	-1.6
	K⁺	-12.6	0.3872	0.836	-12.5	0.017	-0.9
	Ca²⁺	-16.5	0.2812	5.242	-16.1	0.679	-2.1
	Mg²⁺	-15.7	0.2422	14.458	-15.9	0.538	-1.4
	Cl^-	-6.9	0.3807	1.040	-6.8	0.448	—

Table 1 LJ i-C parameters and adsorption energy of ion-graphene simulated with Merz and Netz force fields

Force field	Ion	$E a d s Q C$ ^* /（kJ·mol^-1）	σ_i_⁃C/nm	Optimized parameter		Initial parameter
Force field	Ion	$E a d s Q C$ ^* /（kJ·mol^-1）	σ_i_⁃C/nm	$ε i - C i o n - π$ /（kJ·mol^-1）	E_ad_s /（kJ·mol^-1）	$ε i - C L B$ /（kJ·mol^-1）	E_ads/（kJ·mol^-1）
Merz	Li⁺	-10.4	0.2805	1.503	-10.4	0.110	-4.0
	Na⁺	-13.8	0.2924	1.951	-13.8	0.244	-1.2
	K⁺	-12.6	0.3161	1.827	-12.4	0.591	-2.9
	Ca²⁺	-16.5	0.3043	4.102	-16.8	0.413	-2.9
	Mg²⁺	-15.7	0.2868	5.405	-15.9	0.175	-2.5
	Cl^-	-6.9	0.3552	1.483	-6.8	1.044	-0.4
Netz	Li⁺	-10.4	0.3042	0.839	-10.8	0.017	-4.8
	Na⁺	-13.8	0.3512	0.935	-13.6	0.017	-1.6
	K⁺	-12.6	0.3872	0.836	-12.5	0.017	-0.9
	Ca²⁺	-16.5	0.2812	5.242	-16.1	0.679	-2.1
	Mg²⁺	-15.7	0.2422	14.458	-15.9	0.538	-1.4
	Cl^-	-6.9	0.3807	1.040	-6.8	0.448	—

Fig.2 PMFads for Li+(A), Na+(B), K+(C), Ca2+(D), Mg2+(E) and Cl-(F) ions adsorbed at the water/graphene interfaceThe graphene flake’s position is z=0. Red and blue lines stand for results of Merz and Netz force field， respectively. Dot and solid lines stand for results of initial parameters（εi-CLB） and optimized parameters（εi-Cion-π）， respectively.

Fig.3 Relationship between ion⁃graphene distance and coordination numbers for the first(circle) and second(squares) hydration shells(denoted as Nw1 and Nw2, respectively) for Li+(A), Na+(B), K+(C), Mg2+(D), Ca2+(E) and Cl-(F)Red and blue points stand for results of Merz and Netz force fields， respectively. The arrow in Fig.3（A） represents where the dehydration of Li+ ion’s second hydration shell starts（i.e.， the 2nd hydration inflection point）. For simplicity， all ions’ hydration inflection points are listed in Table S2. Nw1doesn’t change when Netz force field’s Li+ approaches the graphene flake［blue circles in Fig.3（A）］， see Table S2（see the Supporting Information of this paper） for explanation.

Fig.4 PMFads, PMFgra(contribution of ion⁃graphene interactions to PMFads) and PMFwat(contribution of ion⁃water interactions to PMFads) for Li+(A), Na+(B), K+(C), Ca2+(D), Mg2+(E) and Cl-(F) ions adsorbed at the water/graphene interface（A1）—（F1） Merz force field；（A2）—（F2） Netz force field. The graphene flake’s position is z=0. Simulations were performed using εi-Cion-π parameters［see Fig. S8（see the Supporting Information of this paper） for εi-Cion-π parameters’ results］.

Fig.5 Water density distribution above graphene flake(black curve) and the positions of cation PMFwat’s minimum(A), PMFwat’s 1st and 2nd minimum positions agree with correspondinghydration inflection points’ position(B)（A） The scattering points stand for PMFwat’s 1st and 2nd minimum positions of cations（red and blue points represent results of Merz and Netz force fields， respectively）， and the shadows stand for their ranges；（B） red and blue dots represent the results of Merz and Netz force fields， respectively. Black dashed line is the guide line； data points of 1st and 2nd hydration shells are circled， respectively. Li+ of Netz force field does not show inflection point for its 1st hydration layer（see Table S2 for explanation）.

Fig.6 PMFwat of Netz force field’s Li+(P1, V1, V2 represent the 1st maximum, the 1st and 2nd minima, respectively)(A), corresponding snapshots of the ion’s 1st hydration shell and the relative density distribution of water(B—D)（B—D） Left： other water molecules are omitted for clarity； right： bulk water’s relative density is 1； dxy is the horizontal distance between water’s oxygen atom and the center of the graphene flake. The hydration shell was distorted when Li+ approaches graphene（B→C→D）.

Fig.7 Ion’s density profile along 1 mol/L electrolyte solution/graphene interface（A1）—（F1） Merz force field；（A2）—（F2） Netz force field. The graphene flake’s position is z=0， the electrolyte solutions are LiCl（A）， NaCl（B）， KCl（C）， CaCl2（D） and MgCl2（E）. The red and blue lines represent cations and anions， respectively； solid and dashed lines represent simulation results of optimized（εi-Cion-π） and initial parameters（εi-CLB）， respectively.

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水/石墨烯界面离子吸附的分子动力学模拟: 力场参数优化与吸附机制

Molecular Dynamics Simulation of Ion Adsorption at Water/Graphene Interface： Force Field Parameter Optimization and Adsorption Mechanism

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