高价离子在纳米孔的密度泛函理论分析：结构与分布预测

本文主要探讨了高价离子在纳米孔内的结构及其在电解质溶液中的行为，由彭勃和于养信两位学者合作，他们在中国清华大学化学工程系和化学工程联合国家重点实验室进行研究。研究的核心是应用部分微扰密度泛函理论来分析和预测高价离子在3:3型电解质溶液中的离子密度分布和静电势分布。他们发现，与传统的Poisson-Boltzmann (PB) 方程相比，这部分微扰理论能够更准确地描绘出高价阴阳离子在带电纳米孔内的复杂行为，如密度分布曲线的交叉现象以及静电势的震荡特性。这些现象与分子模拟的结果高度吻合，揭示了高价离子在纳米孔内部的独特结构。 Donnan平衡理论虽然在一定程度上解释了电解质溶液中的离子行为，但对高价反离子的处理存在局限性，因为它过度估计了电解质的截留并无法解释高价离子在孔内的富集。而PB方程由于简化为单个点电荷模型，忽略了离子间相互作用，对于高价离子的预测效果并不理想。为了克服这些问题，研究人员引入了考虑离子间相互作用的理论，如扩展的PB方程、超网链/平均球近似理论和密度泛函理论。密度泛函理论因其形式上的灵活性，特别适合处理包含不同直径离子的混合电解质溶液，这使得它在描述高价离子在纳米孔内的复杂动态中展现出优越性。 通过对比实验数据和分子模拟结果，本文证明了部分微扰密度泛函理论在预测高价离子在带电纳米孔中的行为方面的有效性。这对于理解和优化纳滤膜的分离性能以及深入研究生物离子通道的特性具有重要意义。此外，这项工作也为开发新型纳米孔材料设计提供了理论依据，有望推动相关领域的科技进步。