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1、季铵盐插层氧化石墨的分子模拟孙红娟1，2，彭同江1，2,赵二正1,刘波1,姬广富31. 西南科技大学固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川绵阳6210102. 西南科技大学矿物材料及应用研究所，四川绵阳6210103. 中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理国防重点实验室，四川绵阳621900氧化石墨（graphite oxide，GO）是一种层状结构的碳氧化合物，其结构层上的含氧官 能团以羟基（-OH）和环氧基（C-O-C）为主，仅在结构层边缘接有少量的羧基（-COOH） 和羰基（-C=O）等，这些官能团使GO的结构层表面在水溶液或碱水溶液中带负电，可以 通过离子键作用（离
2、子吸附）将阳离子型表面活性剂插入到GO层间，电荷平衡后，进而 通过疏水键作用（分子吸附）将有机分子插入GO层间，制得的插层复合物表现出良好的 力学、热力学、阻燃、光电、催化等性能，在导电、吸附、耐高温、环保、功能膜和生物传 感器等众多领域具有广泛的应用。其中，以GO为前驱体，将季铵盐（CTAB）分子插入 n到GO层间制备具有优异性能的插层复合物的研究已有诸多报道；然而，关于C TAB/GO n插层复合物在模拟计算领域的研究鲜有报道，对于C TAB分子在GO层间的排列方式都 n是基于实验数据的一种半经验式推到所得，缺少理论依据。本文基于“实验制备-模拟计算”的研究思路，采用改进的Hummers法
3、制备最优条件 下的GO,继而以季铵盐（C TAB，n=12，14，16，18）对其进行插层处理，在实验研究 n的基础上，建立GO和C TAB /GO插层复合物的结构模型，并对其进行模拟计算，探讨 nC TAB分子数对GO最大底面间距的影响，揭示C TAB分子在GO层间的排列方式， nn为季铵盐插层GO对产物结构的影响提供理论依据和借鉴。XRD、FT-IR、Raman和XPS等表征分析表明，GO的层间距为0.848nm,结构中含 有大量的羟基（-OH）和环氧基（C-O-C）以及少量的羧基（-COOH）和羰基（-C=O）等含 氧官能团。其中，C/O摩尔比接近于2/1； GO结构模型优化后的层间距为
4、0.849 nm,与 实验数据吻合，并且优化前后的密度和晶胞体积变化较小，证明了本文GO结构模型和模 拟方法的合理性，证实了模拟研究的可靠性。实验中随C TAB用量和链长的增加，C TAB /GO插层复合物的层间距逐渐增大，插 nn入GO层间的C TAB分子数也逐渐增加，插层饱和时，层间距分别达到2.64、3.00、3.40n和3.65 nm, C TAB分子数分别达到40、42、45和48个；而模拟中分别插入GO层n间40、42、45和48个C TAB分子对应的层间距远大于实验饱和值，层间距的模拟值n随C TAB分子数的增加呈阶梯状逐渐增大，达到实验饱和值时分别形成4、5、5和6个n阶梯，此
5、时的分子数却分别只有24、26、28和30个。模拟和实验中C TAB分子数差 n异的原因主要有：与C TAB分子的吸附方式有关，实验中CnTAB分子并没有全部插入 nGO层间，在插层过程中存在表面吸附和边缘吸附的现象发生，从而反映出实验中要使用较 多的C TAB分子才能达到与模拟一样的层间距值，这表明引起层间距变化的主要是层间 n的C TAB分子，表面或边缘的吸附分子对层间距的影响极小；还与GO结构模型的相对 n分子质量有关，本文的GO结构模型只含有-OH、C-O-C两种含氧官能团，且含量均一、 分布均匀，没有考虑边缘-COOH、-C=O等含氧官能团的影响，从而忽略了边缘吸附的分子 数；另外，实验中因实验方法和制备条件的不同，制备的GO结构中含氧官能团的种类、 含量以及碳层平面的缺陷程度差异较大也有一定的影响。结合层间距的阶梯型增加趋势，在每个阶梯平面分别建立不同排列方式（平躺、倾斜、 直立、混合）的结构模型，分为固定d值和不固定d值两类对其进行结构优化处理，从能 量和结构的角度探讨CTAB分子在GO层间最优的排列方式，能量和结构的模拟结果一 n致表明，随CTAB分子数的增加，C TAB分子在GO层间的最优排列方式分别为14、nn15、15和16层平躺排列。
季铵盐插层氧化石墨的分子模拟
