离子在带电纳米孔内结构和传递的密度泛函理论研究

生物离子通道和纳滤膜材料都具有带电的纳米孔，研究各种离子在带电纳米孔内的平衡结构和稳态传递行为对于生物化学、海水淡化和化工污水处理等工艺以及燃料电池和纳米电动机等新技术开发都有着重要的科学价值和理论意义。本研究在申请人改进的硬球流体基本度量理论的基础上，用原始的平均球近似理论得到的超额Helmholtz自由能的解析表达式，选择合适的静电项权函数，计入离子静电作用项的贡献，提出能预测离子在带电纳米孔内分布的新密度泛函理论，并用正则系综Brown动力学模拟数据加以检验，用于纳滤膜电位的计算。然后将所建立的密度泛函理论与Nernst-Planck方程耦合，建立离子在带电纳米孔中扩散通量的新计算方法，并用双控体积Brown动力学模拟进行检验。根据实验数据确定膜结构参数和离子的微观模型参数，将所建立的方法用于纳滤膜分离各种电解质溶液的通量和截流率的计算，满足膜法海水淡化和污水处理工艺设计的需要。