物理化学学 ̄E(Wuli Huaxue Xuebao1 January Acta .一Chim.Sin.2013,29(1),23—29 23 [Article] doi:10.3866/PKU.WHXB201210123 www.whxb.pku.edu.cn 超临界水中醋酸锌水解反应的分子动力学模拟 王晓娟 李志义 刘志军 (大连理工大学化工机械学院,流体与粉体S_-程设计研究所,辽宁大连116023) 摘要:氧化锌(ZnO)是一种重要的化工原料,超临界水热合成法制备纳米ZnO的第一步是锌盐与碱或水发生 水解反应生成Zn(OH)z,后者接着脱水生成ZnO.以Zn(CH。C00)2为原料,直接和超临界水(scw)反应能够制 备纳米级的znO颗粒,但对反应机理的探讨较少.本研究利用分子动力学模拟超临界条件下Zn(CH。COO)2水 解反应过程中的结构和能量变化,发现Zn(CH。coo) 在SCW中容易聚集成无定形的团簇,1个Zn 平均和5 个CH。COO一和1个HzO配位,形成6配位的八面体结构.处于Zn(CH coo):团簇和SCW界面的Zn“能够和更 多的H O配位.水解反应后系统的势能降低,同时伴随Zn(CH。coo):团簇结构的改变.反应产物OH一分布在 Zn(CHacoo) 团簇内部,富集Zn ,而CHsCOOH则分布在SCW中.本文的工作为超临界水热合成的反应过程 提供了基本的理论依据. 关键词:氧化锌:醋酸锌:超临界:水热合成:水解反应:分子动力学模拟 中图分类号:0645 Molecular Dynamics Simulations on Hydrolysis of Zinc Acetate in Supercritical Water \/\/ANG Xiao.Juan LI Zhi.Yi LlU Zhi.Jun‘ (Institute foFluid and Powder Engineering,College ofChemical Machinery,Dalian University foTechnology,Dalian 116023, Liaoning Province,P R.China) Abstract: Zinc oxide(ZnO)iS a multifunctional materia1 with wide applications in chemiacI engineering. Hydrothermal synthesis of ZnO under supercriticaI conditions fr0m salt solutions containing zinc ions iS an environmentally safe process.Two reaction steps are involved.zinc hydroxide SOI formation and dehydration fr0m the so1.However,Iittle iS known about the underlying mechanism.In this study,molecular dynamics simulations were performed to investigate the structural and thermodynamic changes in the zinc acetate hydrolysis process,i.e.,Zn(CH3coo)2,in supercritica1 water(scw).OMr results show that Zn(CH3coo)2 iS prone to aggregate in SCW.On average,one Zn jon COOrdinates with five CH3COO—species and one H2O molecule,forming an octahedraI configuration.However,more water molecules bind Zn at the SCW interface to form Zn(CH3coo)2 clusters.The totaI potential energy of each system decreases after the hydrolysis of Zn(CH3CO0) ̄,suggesting that it is a thermally favorable process in SCW.The OH—reaction product incorporates into the amorphous Zn(CH3coo)2 cluster and CH3COOH iS in the SCW phase.Our results provide a general theoreticaI framework for the Zn(CH3COO)2 hydrothermal synthesis in SCW. Key Words:Zinc oxide;Zinc acetate;Supercritical water;Hydrothermal synthesis;Hydrolysis Molecular dynamics simulation Received:August 9,2012;Revised:October 12,2012;Published on Web:October 12,2012. ’Corresponding author.Email:liuzj@dlut.edu.cn;Tel:+86-411・84986285. The project was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities,China(852001) 中央高校基本科研业务费专项资金(852001)资助项目 ⑥Editorial ofifce ofActa Physico.Chimica Sinica 24 Acta Phys.一Chim.Sin.2013 VO1.29 1 引 言 纳米氧化锌(ZnO)是一种重要的化工原料,是 橡胶制品和涂料生产中重要的催化剂之一.纳米 ZnO还可用作光化学反应的催化剂,制造光电以及 热敏材料.添加了纳米ZnO的陶瓷制品,可降低陶 制品的烧结温度,降低能耗,烧成品外观更好.- ,ZnO纳米线具有独特的传输和力学特性,近年来引 起了研究者的极大兴趣. 由于超临界水(scw)具有特殊的溶解度、可变 的密度、较低的粘度和表面张力以及较高的扩散特 性, 利用超临界水热合成法制备纳米ZnO逐渐成 为常用的方法之一. 在这种方法中,超临界水 (SEW,温度T ̄=647 K,压力P =22 MPa,密度P = 0.322 g・cm。1同时作为反应介质和反应物,含zn离 子的盐如Zn(NO 1 、ZnSO 、Zn(CH,coo):的水溶液 在超临界状态下与碱(如KOH)或纯水先发生水解反 应生成Zn(OH) ,然后Zn(OH):脱水得到纳米级的 ZnO颗粒.。 ’利用超临界水热合成还成功制备出不 同种类和形貌的纳米颗粒,如MgO、TiO 、ZrO:、 SnO2、ZnS和Fe3O4等. , 与此同时,研究者对超临界水 以及含盐水溶 液的特性也开展了一系列分子动力学模拟,如研究 NaCl、 。。 FeC1 、 以及NaCO 在SCW中的成核 机制.本课题组利用Zn(CH coo) 直接和SCW反 应,制备得到最小平均粒径约为10 nln的ZnO球形 颗粒, 反应如式(1)所示. Zn(CH3coo)2+2H2O—Zn(OH)2+2CH3COOH Zn(OH)2_÷ZnO+H20 (1) 本文在已有实验结果 的基础上,利用分子动力 学模拟Zn(CH coo):与SCW反应的能量变化,以及 产物CH COOH在SCW的分布特性,为实验上通过 控制温度或压力生成纳米ZnO颗粒提供理论参考. 2分子动力学模拟部分 2.1 非键相互作用参数 本文分子动力学模拟涉及到的物质有SCW、 Zn(CH coo) 、Zn(OH) 和CH COOH.其中H O采用 TIP3P模型, , CH,COO一和CH,COOH分子中的键 相互作用采用OPLS—AA力场中相应的力场参数. 。 非键相互作用包含静电和范德华作用(Lennard— Jones作用),形式如式(2)所示,其中q是原子的部分 电荷, 表示原子f和,之间的距离, 和勖表示原子i 和,相互作用的范德华参数,根据单个原子的 s采 用Lorentz—Berthelot混合法则得到,如式(3)所示. CH CO0一和CH COOH中各个原子的部分电荷采用 restrained electrostatic potential(RESP)方法计算得 到. OH一中0原子和H原子的部分电荷以及其它原 子的范德华参数采用OPLS—AA力场中的参数,模 拟使用的参数总结于表1. 斋。 ¨ 一 ㈤ o — 一,=华, 0旷 Ⅱ £l‘ j (3) 2.2分子动力学模拟体系 本文采用Gromacs 4.5 作为分子动力学模拟软 件.根据我们已有的实验结果采用等温等压系综 (NPT),即模拟压力控制在25 MPa,模拟温度分别为 650、750和850 K.初始一定量的Zn(CH。coo) 随机 分布在长方体的水盒中,通过控制体系的体积,使 得Zn(CH,coo):在SCW水中的浓度达到0.05 mol・ L~.分子动力学模拟积分步长为2 fs,每500步(1 ps) 存储一个轨迹.应用立方周期性边界条件,静电作 用采用partical mesh Ewald(PME)方法 。计算,范德 华作用的计算半径为1.2 nm.每个模拟体系包含的 水分子和Zn(CH。coo) 的个数列于表2,其中一个 体系的初始结构如图1所示.由于本文侧重于 Zn(CH。coo):的水解反应,对Zn(CH,coo) 的成核 过程不做详细分析,故对每个体系进行20 ns的模 拟.分析结果发现经过10 ns的动力学模拟, Zn(CH,coo) 已经能够聚集形成无定形的团簇,没 表1 分子动力学模拟使用的非键相互作用参数 Table 1 Non-bonded parameters used in molecular dynamics simulations NO.1 王晓娟等:超临界水中醋酸锌水解反应的分子动力学模拟 表2模拟体系以及相应的密度、势能和SCW中Zn(CH3COO) 水热反应的势能差 Table 2 Systems under investigation,and their corresponding densiites,potential energies,and the potential energy differences after hydrolysis of zn(CH3Coo)2 in SCW Superscripts 0-3 indicate that zero to three H2O and CH3COO—are replaced by the same number of OH and CH3COOH,respectively The standard deviations are shown in parentheses. 有游离状态的CH CO0一和zn ,因此只对每个模拟 极小值的半径以及径向分布函数在此半径内积分 结果的后10 ns进行分析. 后得到的配位数CN总结于表3,其中配位数CN的 计算公式如式(4). 3结果与讨论 3.1 Zn(CH。coo) 在SCW中的结构特征 CN=l pg(r)4nr dr (4) 为验证每个系统是否达到了预先设定的模拟 由图3可见,Zn2 周围CH CO0一和H:O的分布并不 条件,首先考察了压力和温度随时问的变化,其中 随温度的变化而发生明显的改变.由径向分布函数 一个系统(25 MPa,850 K)的情况如图2所示.结果 表明每个系统的平均压力均为25 MPa,平均温度很 好地维持在设定的650、750和850 K,对应每个系统 的密度分别为0.18,0.10和0.08 g・gill (表2).上述 结果表明每个模拟的系统均处于水的超临界点之 上. 径向分布函数譬(r)反应了一个物质围绕另一个 825} 物质的平均分布情况,成核后的Zn(CH,coo)z在 SCW中的径向分布函数计算如图3所示,对应第一 800【 0 5 10 15 t,as 35f 20I 15I 10l 0 图1 Zn(CH。CO0):在SCW(25 MPa,650 K)eZ的初始结构 Fig.1 Initial structure of Zn(CH3coo):in SCW at 图2 系统温度和压力在一个系统的分子动力学模拟过程 25MPa and 650K 中随时间的变化 The structures of CH3COO—and Zn are shown as van der Waals Fig.2 Changes of temperature and pressure during the representation.Water molecules are shown as CPK representation. course of one of molecular dynamics simulations Acta P S.一Chim.Sin.2013 VO129 .S S 言 ^。 r,nm r,nm 图3不同温度下zn离子周围CH COO一(A)和H 0(B)中氧原子分布的径向分布函数 Fig.3 Radial distribution functions of Zn with respect to oxygen atoms of CH3COO一(A)and H2o(B)at different temperatures Oaet:oxygen atom in CH3COO一 的第一峰值可见zI12 周围CH,COO一的分布明显强 于H O.在不同温度下,Zn 周围CH COO一中氧原子 的平均配位数约为4.8,表明一个Zn 平均结合5个 来自CH,COO一的氧原子.Zn 与水的配位能力随温 H20的两相界面,仍然可以观察到一个z 能够最 多和3个H O配位,图4A所示为在650 K模拟温度 下,处于两相界面的zI12+分别结合1至3个H O的情 况,在其它温度下也观察到类似的配位方式.以上 分析表明在SCW中,静电作用和疏水作用达到动态 平衡时,成核的Zn(CH coo):内部和表面能够结合 一度的升高而降低,其配位数从650 K的1.19降低到 850 K的0.586 说明一个zn2十平均结合一个H O,满 足Zn。 配位数一般为6的要求,易于形成八面体的 空间结构.进一步分析CH,COO一的两个氧原子与 Zn 的配位情况表明:Zn 以很小的概率同时和一个 CH COO一的两个氧原子配位(图41.根据经典的静电 场理论,这种配位方式是由于单纯的静电作用导 致.另一方面,由于甲基的疏水作用,Zn(CH coo) 成核时,内部容易形成疏水的空间,根据上述分析, 定量的H O,这为Zn(CH coo) 和H 0在超临界 条件下的反应创造了条件. 3.2 Zn(CH。coo) 在SCW中的水解反应分析 由式(1),Zn(CH coo) 和H:O在超临界条件下 水解反应的第一步生成CH COOH和Zn(OH) .已知 CH COOH,Zn(OH):和H:0的标准生成焓分别为: 。 H (CH3COOH)=一483.5 kJ・mol~,Her(Zn(OH)2)= 一这种疏水作用随温度的升高而增强,导致在850 K 时,Zn 与H O的结合减弱.但在Zn(CH,coo) 和 642.2 kJ・mol~, (H 0):一285.8 kJ・mol~,最近的 文献 报道含有2个结晶水的Zn(CH,coo) 的标准 表3 SCW中Zn(CI ̄CO0):水解反应前后的径向分布函数中第一极小值的位置(r)以及相应的配位数(CN) Table 3 Positions(r)of the ifrst minimum in the radial distribution functions of Zn(CH3COOh in SCW before and after hydrolysis,with the corresponding coordination number(CN) Superscripts 0-3 indicate that zero to three H2O and CHACO0一are replaced by the ssnle number of OH—and CH3COOH,respectively. No.1 王晓娟等:超临界水中醋酸锌水解反应的分子动力学模拟 27 图4(A)Zn(CH3COO):和H:O两相界面zn 分别结合1个(a),2个(b)和3个(c)Hzo分子; (B)zn 和一个CH3CO0一的两个。原子同时配位 Fig.4(A)Coordination sphere of Zn with 1(a),2(b)and 3(c)water molecules at the interface of Zn(CH3COOh and H20; (B)one zinc ions binding with the two oxygen atoms from one CH3CO0一 distance in nm 生成焓为H ̄f(Zn(CH coo):・2H:O)=一1669.6 kJ・mol~. 统势能改变的相对大小.在650 K时二次差分的数 根据上述热力学参数可知,在标准状态下(298 K, 值分别为一309和一346 kJ・mol~,表明当1个H:O和 0.1 MPa),Zn(CH,coo) 水解反应的反应焓变 = CH,C0O一分别被OH一和CH,COOH取代后系统势能 60.4 kJ・mol~。表明上述反应热力学上是难以发生 改变的不是一个恒定的数值,暗示Zn(CH,coo) 在 的.为探讨在超临界条件下反应的能量变化,将图4 SCW中的水解反应同时伴随着结构的改变,是一个 所示的与Zn 配位的H O和CH,COO一分别替换为 动态的过程.类似的,在750和850 K的模拟条件下 OH一和CH,COOH,在设定条件下得到另外9个体 也发现二次差分的数值并不一致. 系.对每个体系使用和未作基团替换时相同的模拟 模拟发现当1至3个H O和CH COO一分别被相 条件,分别进行了20 ns的分子动力学模拟,利用后 同数目的OH一和CH COOH替换后,Zn(CH,coo): 10 as的模拟结果,分别计算了每个体系的势能,结 在SCw中依然处于聚集状态,OH一扩散进入 果列于表2. Zn(CH,coo)。团簇内部,CH COOH则扩散至水相, 根据表2,当H O和CH,COO一分别变为OH一和 并有向水相一气相界面扩散的趋势,如图5和图6所 CH COOH后,整个系统的势能降低.虽然势能的标 示.研究者利用分子动力学模拟OH一和HC1在超临 准差在650、750和850 K时分别为0.6%、0.4%和 界NaC1水中的分布时发现类似的现象,即OH一扩散 0.3%,均高于势能的变化 ,但由于在相同温度下 进入NaC1团簇,HC1则扩散进入水相. 根据径向分 计算得到的势能标准差非常接近,使得分析势能的 布函数计算OH一周围z 的分布情况发现(表3)1个 差值具有统计意义.计算发现1个H:0和CH COO一 被OH一和CH,COOH取代后系统势能降低的程度并 不恒定,例如在650 K,相对于没有发生基团取代的 系统,当1至3个H:O和CH,CO0一分别被相同数目 的OH一和CH COOH取代后,系统势能分别降低 417、726和1072 kJ・mol~,表明系统逐渐趋于更加 稳定的状态,同时也说明Zn(CH,coo):在SCW中的 水解反应更容易进行.若定义上述差值为一次差 分,类似的定义二次差分为3(或2)个H:0和 CH,COO一分别被相同数目的OH一和CH,COOH取代 后,系统势能相对于2(或1)个H20和CH COO一分别 图5 Zn(CH3COO)z在SCW中的水解产物 CI-I3COOH的分布 被取代后系统势能的降低值.二次差分反映了1个 Fig.5 Distribution of CH3COOH as a product of H2O和CH,COO一分别被OH一和CH,COOH取代后系 hydrolysis of Zn(CH3COO)2 in SCW Acta PhyS.一Chim.Sin.2013 VO1.29 图6 Zn(CH coo):在SCW中的水解产物OH一的分布 Fig.6 Distribution of oH—as a product of hydrolysis of Zn(CH3COO) in SCW OH一同时和3个zn 配位(图6),并且这种配位方式 不随体系中OH一数目以及温度而改变(表3),表明 OH一有强烈的富集Zn 的作用,这也为生成Zn(OH) 提供了结构上的便利. 超临界条件下水分子的氢键减弱,相应的水分 子的介电屏蔽减弱,使得阴阳离子容易发生静电吸 引而聚合. 同时,离子之间由于静电作用形成的电 场也为超临界水解NaC1提供了能量来源. 由于本 文的研究对象Zn(CH coo):比一般的盐如NaCI、 FeC1:复杂,超临界条件下Zn(CH coo):的团聚是否 有助于水解反应的发生值得研究.分析处于 Zn(CH,coo):团簇内部并且和Zn 配位的水分子周 围静电势的分布为理解Zn(CH coo):水解反应的 能量变化提供了定性的图像.利用Discovery Studio 2.5软件包中的静电势计算模块, 使用和本文分子动 力学模拟相同的原子电荷,计算得到一个H O周围 静电势的分布,如图7所示.由于被Zn(CH coo):包 围的H:0周围分布着很强的负静电势,可能容易 使H:O发生极化变形进而解离生成OH一和H ,促进 图7 SCW中Zn(CH,coo):团簇内部一个H:O周围 静电势的分布 Fig.7 Electrostatic potential distribution around a water molecule confined by Zn(CH3coo)2 cluster in SCW Red color represents negative potential whereas blue color represents positive potentia1. Zn(CH,coo) 水解反应的进行.定量的分析需要借 助于复杂的量子化学计算,有待于进一步深入研究. 4结论 利用分子动力学模拟研究了Zn(CH,coo) 在 SCW中的平衡特征以及水解反应过程的能量变化, 定性分析了水分子在Zn(CH coo)。团簇内部由于 静电场的影响而发生解离的可能性,得出以下结论. (1)Zn(CH,coo):在SCW中易于聚集成团,1个 Zn 周围平均结合5个CH CO0一和1个H 0,满足 Zn 形成6配位八面体的空间构型的需要.Zn 在 Zn(CH,coo) 团簇内部和表明的配位情况有所不 同,更多的H O在Zn(CH coo) 团簇表面参与zn 配位. (2)在标准状态,Zn(CH,coo) 水解生成Zn(OH): 和CH,COOH的反应焓变为60.4 kJ・mol~,从热力学 的角度看难以发生.但在超临界条件下,模拟发现 上述水解反应使得体系势能降低,表明反应容易发 生,并且水解反应发生的同时伴随Zn(CH,coo):团簇 结构的改变.水解产物OH一容易进/ ̄.Zn(CH,coo):团 簇内部,富集Zn ,而产物CH,COOH扩散进入水 相,并倾向分布在水相一气相界面. (3)定性分析处于Zn(CH,coo) 团簇内部的水 分子周围静电势的分布发现,水分子周围分布有很 强的负的静电势,容易使水分子极化变形进而解 离,促进Zn(CH,coo):在SCW中的水解反应. References (1)Wang,X.J.;Flu,S.J.;LIu,x.W.;Li,Z.Y;Hu,D.P Chem. Eng.Oil.Gas 2007,36,362.[王晓娟,胡施俊,刘学武, 李志义,胡大鹏.石油与天然气化工,2007,36,362.] (2)Wang,X.J.;Liu,X.w;Xia,Y.J.;Li,Z.Y Chem Ind.Eng. 2007,28,18.【王晓娟,刘学武,夏远景,李志义.化学工业与 工程技术,2007,28,1 8.] (3)Dai,L.;Cheong,W.C.;Sow,C.H.;Lim,C.T.;Tan,VB. Langmuir 2010,26,1165.doi:10.1021/la9022739 (4)Matubayasi,N.;Wakai,C.;Nakahara,M. 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