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中文题名:

 水界面物理化学过程的理论研究(博士后研究报告)    

姓名:

 唐博    

保密级别:

 公开    

论文语种:

 chi    

学科代码:

 070304    

学科专业:

 物理化学(含∶化学物理)    

学生类型:

 博士后    

学位:

 理学博士    

学位类型:

 专业学位    

学位年度:

 2024    

校区:

 北京校区培养    

学院:

 化学学院    

研究方向:

 水界面物理化学    

第一导师姓名:

 朱重钦    

第一导师单位:

 化学学院    

提交日期:

 2024-07-15    

答辩日期:

 2024-07-12    

外文题名:

 Theoretical Studies on Physicochemical Processes at the Water Interface    

中文关键词:

 气-水界面 ; 固-水界面 ; 密度泛函理论 ; 第一性原理分子动力学 ; 双电层 ; N2O5 ; 卤素 ; 氢键网络    

外文关键词:

 air-water interface ; solid-water interface ; density functional theory ; ab initio molecular dynamics ; electric double layer ; N2O5 ; halogen ; hydrogen bond network.    

中文摘要:

水界面物理化学过程的研究在材料科学、能源环境科学、化学工程等领域具有重要意义。本文基于密度泛函理论、第一性原理分子动力学(AIMD)、增强采样方法等展开了一系列研究,主要分为二部分:1、固-水界面的物理化学过程:重点探讨了电化学界面上离子的尺寸、电荷对双电层结构的调控,为提高电催化效率、能源储氢等提供新的见解;2、气-水界面的物理化学过程:重点研究了N2O5分子在海洋气溶胶表面的反应性,揭示了不同卤素离子对反应机理的影响,为实验提供了新的研究方向。我们还讨论了基于AIMD研究的机遇与挑战,展望了机器学习在该领域研究的应用和发展。主要结论如下:

1、固-水界面:

金属界面水分子取向不仅受到界面电压调控,还与双电层中金属阳离子的尺寸和电荷密切相关。

不同阳离子与界面的相互作用对界面氢键网络具有明显的影响,Mg2+相较于Na+、Ca2+表现出相反趋势。

2、气-水界面:

N2O5与海洋气溶胶中卤素反应活性高,生成ClNO2是其与Cl-反应的主要反应通道,而其与Br-/I-反应生成BrONO/IONO几乎是无能垒过程,因此BrONO/IONO是关键反应中间体。

BrONO/IONO反应中间体能够进一步和Br-/I-反应产生Br3-/I3-,从而进一步蒸发形成Br2/I2,参与大气卤素循环。

外文摘要:

Research on the physical and chemical processes at heterogeneous water interfaces is of significant importance in materials science, energy and environmental science, and chemical engineering. This paper presents a series of studies based on density functional theory (DFT), ab initio molecular dynamics (AIMD), enhanced sampling methods, and machine learning. The research is divided into two main parts: 1. Solid-Water Interface Physical and Chemical Processes: This section focuses on the regulation of the double layer structure by ion size and charge at electrochemical interfaces, providing new insights for improving electrocatalytic efficiency and hydrogen energy storage; 2. Gas-Water Interface Physical and Chemical Processes: This part investigates the reactivity of N2O5 molecules at the oceanic aerosol interface, revealing the impact of different halide ions on the reaction mechanism and offering new directions for experimental research. The opportunities and challenges of AIMD-based research are discussed, and the application and development of machine learning in this field are explored. Main conclusions are as follows:

Solid-Water Interface:

The orientation is regulated not only by interface voltage but also closely related to the size and charge of metal cations in the double layer.

The interaction significantly influences the hydrogen bond network at the interface. Mg²⁺, compared to Na⁺ and Ca²⁺, exhibits an opposite trend.

2. Air-Water Interface:

The reactivity is high, with ClNO2 formation being the primary reaction pathway with Cl⁻. The reactions with Br⁻/I⁻, leading to BrONO/IONO, are nearly barrierless, making BrONO/IONO critical reaction intermediates.

These intermediates can further react with Br⁻/I⁻ to produce Br3⁻/I3⁻, which then evaporate to form Br2/I2, participating in the atmospheric halogen cycle.

参考文献总数:

 191    

作者简介:

 基本信息: 出生:1995.01.06 民族:汉 性别:男 群面:中共党员 电话:18019561095 邮箱:tb950106@mail.ustc.edu.cn 籍贯: 安徽合肥 住址:安徽省合肥市置地瑞玺7#304 教育背景: 北京师范大学 物理化学专业 励耘博士后 2022.08-2024.08 主要研究方向:1、大气物种在气-水界面物理化学过程;2、电化学界面双电层结构及水的微观结构;3、双原子催化CO2还原;4、基于机器学习力场的分子动力学模拟 中国科学技术大学 物理化学专业 博士 2017.09-2022.07 主要研究方向:1、大气物种在气-水界面物理化学过程;2、电化学双电层结构的理论模拟 主修课程:理论与计算化学、量子化学、分子光谱、固体物理、高等物理化学、统计力学、计算材料学、原子尺度模拟、化学动力学、生物大分子设计及计算模拟 安徽师范大学 理综卓越教师实验班(化学(师范)) 学士 2013.09-2017.07 主修课程:物理化学、有机化学、无机化学、分析化学、结构化学、化工基础、大学物理、普通生物、 高等数学、化学教学论、教育心理学     

馆藏地:

 图书馆学位论文阅览区(主馆南区三层BC区)    

馆藏号:

 博070304/24017    

开放日期:

 2025-07-17    

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