TNT高温热解及含碳团簇形成的反应分子动力学模拟

刘海 董晓 何远航

引用本文: 刘海, 董晓, 何远航. TNT高温热解及含碳团簇形成的反应分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2014, 30(2): 232-240. doi: 10.3866/PKU.WHXB201312101 shu
Citation:  LIU Hai, DONG Xiao, HE Yuan-Hang. Reactive Molecular Dynamics Simulations of Carbon-Containing Clusters Formation during Pyrolysis of TNT[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2014, 30(2): 232-240. doi: 10.3866/PKU.WHXB201312101 shu

TNT高温热解及含碳团簇形成的反应分子动力学模拟

摘要:

ReaxFF-MD模拟三硝基甲苯(TNT)高温热解显示增加了伦敦耗散力项(Elg)的ReaxFF/lg 势函数在含能材料平衡密度计算方面具有优越性. 产物识别分析得出TNT热解的主要产物为NO2、NO、H2O、N2、CO2、CO、OH以及HONO,且最终产物为H2O、N2和CO2. 使用ReaxFF势函数模拟同样过程进行比较性分析显示,在主要产物和最终产物方面与ReaxFF/lg 作用结果具有一致性,但在化学反应动力学方面表现出一些差异. ortho-NO2键断裂和C―NO2→C―ONO重排布-断裂形成NO2和NO是TNT热解的主要初级反应,且前者产生速率大于后者,NO2和NO形成后很快参与次级反应并最终形成N2. 高温热解中形成OH等小分子会促进H2O的形成. 环上基团相互反应或直接脱落后,主环间C―C键才发生断裂,但温度升高会加快主环断裂,并进一步分解形成CO2,这也是高温条件下CO2分布产生波动的一个重要原因. 并且当晶胞中的TNT分子几乎完全分解时,系统的势能开始明显衰减. 与温度相比,密度对热解中最大含碳团簇形成的影响更明显. 并且,模拟结果显示,在TNT完全分解前已经出现含碳中间体的聚合现象. 此项工作表明使用ReaxFF/lg 反应力场研究TNT高温热解可以提供具体的动力学和化学方面的信息,并有助于理解含能材料的爆轰问题并可进行安全评估.

English

    1. [1]

      (1) Dubnikova, F.; Kosloff, R.; Almog, J.; Zeiri, Y.; Boese, R.;Itzhaky, H.; Alt, A.; Keinan, E. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127,1146. doi: 10.1021/ja0464903

      (1) Dubnikova, F.; Kosloff, R.; Almog, J.; Zeiri, Y.; Boese, R.;Itzhaky, H.; Alt, A.; Keinan, E. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127,1146. doi: 10.1021/ja0464903

    2. [2]

      (2) Dong, L. M.; Li, X. D.; Yang, R. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009,25 (5), 981. [董林茂, 李晓东, 杨荣杰. 物理化学学报, 2009,25 (5), 981.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090525(2) Dong, L. M.; Li, X. D.; Yang, R. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2009,25 (5), 981. [董林茂, 李晓东, 杨荣杰. 物理化学学报, 2009,25 (5), 981.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20090525

    3. [3]

      (3) Brill, T. B.; James, K. Chem. Rev. 1993, 93, 2667. doi: 10.1021/cr00024a005(3) Brill, T. B.; James, K. Chem. Rev. 1993, 93, 2667. doi: 10.1021/cr00024a005

    4. [4]

      (4) Brill, T. B.; James, K. J. Phys. Chem. 1993, 97, 8759. doi: 10.1021/j100136a018(4) Brill, T. B.; James, K. J. Phys. Chem. 1993, 97, 8759. doi: 10.1021/j100136a018

    5. [5]

      (5) Long, G. T.; Brems, B. A.;Wight, C. A. Thermochim. Acta2002, 388, 175. doi: 10.1016/S0040-6031(02)00031-X(5) Long, G. T.; Brems, B. A.;Wight, C. A. Thermochim. Acta2002, 388, 175. doi: 10.1016/S0040-6031(02)00031-X

    6. [6]

      (6) McGuire, R. R.; Tarver, C. M. In Seventh Symposium (International) on Detonation, Proceedings, SeventhSymposium (International) on Detonation, Annapolis,Maryland, June 16-19, 1981; Short, J. M. Ed.; Silver Spring:Maryland, 1982; pp 56-60.(6) McGuire, R. R.; Tarver, C. M. In Seventh Symposium (International) on Detonation, Proceedings, SeventhSymposium (International) on Detonation, Annapolis,Maryland, June 16-19, 1981; Short, J. M. Ed.; Silver Spring:Maryland, 1982; pp 56-60.

    7. [7]

      (7) Makashir, P. S.; Kurian, E. M. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 1999, 55, 173. doi: 10.1023/A:1010152626354(7) Makashir, P. S.; Kurian, E. M. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 1999, 55, 173. doi: 10.1023/A:1010152626354

    8. [8]

      (8) Cohen, R.; Zeiri, Y.;Wurzberg, E.; Kosloff, R. J. Phys. Chem. A2007, 111, 11074. doi: 10.1021/jp072121s(8) Cohen, R.; Zeiri, Y.;Wurzberg, E.; Kosloff, R. J. Phys. Chem. A2007, 111, 11074. doi: 10.1021/jp072121s

    9. [9]

      (9) Van Duin, A. C. T.; Dasgupta, S.; Lorant, F.; ddard,W. A.,III. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 9396. doi: 10.1021/jp004368u(9) Van Duin, A. C. T.; Dasgupta, S.; Lorant, F.; ddard,W. A.,III. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 9396. doi: 10.1021/jp004368u

    10. [10]

      (10) (a) Plimpton, S. J. Comp. Phys. 1995, 117, 1.(10) (a) Plimpton, S. J. Comp. Phys. 1995, 117, 1.

    11. [11]

      (b) http://lammps.sandia. v. (accessed Apr 16, 2013).(b) http://lammps.sandia. v. (accessed Apr 16, 2013).

    12. [12]

      (11) Zhou, T. T.; Shi, Y. D.; Huang, F. L. Acta Phys. -Chim. Sin.2012, 28 (11), 2605. [周婷婷, 石一丁, 黄风雷. 物理化学学报, 2012, 28 (11), 2605.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201208031(11) Zhou, T. T.; Shi, Y. D.; Huang, F. L. Acta Phys. -Chim. Sin.2012, 28 (11), 2605. [周婷婷, 石一丁, 黄风雷. 物理化学学报, 2012, 28 (11), 2605.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201208031

    13. [13]

      (12) Zhang, L.; Chen, L.;Wang, C.;Wu, J. Y. Acta Phys. -Chim. Sin.2013, 29 (6), 1145. [张力, 陈朗, 王晨, 伍俊英. 物理化学学报, 2013, 29 (6), 1145.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201303221(12) Zhang, L.; Chen, L.;Wang, C.;Wu, J. Y. Acta Phys. -Chim. Sin.2013, 29 (6), 1145. [张力, 陈朗, 王晨, 伍俊英. 物理化学学报, 2013, 29 (6), 1145.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201303221

    14. [14]

      (13) Strachan, A.; Kober, E. M.; Van Duin, A. C. T.; Oxgaard, J.; ddard,W. A., III. J. Chem. Phys. 2005, 122, 054502. doi: 10.1063/1.1831277(13) Strachan, A.; Kober, E. M.; Van Duin, A. C. T.; Oxgaard, J.; ddard,W. A., III. J. Chem. Phys. 2005, 122, 054502. doi: 10.1063/1.1831277

    15. [15]

      (14) Zhou, T. T.; Huang, F. L. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 278. doi: 10.1021/jp105805w(14) Zhou, T. T.; Huang, F. L. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 278. doi: 10.1021/jp105805w

    16. [16]

      (15) Rom, N.; Zybin, S. V.; Van Duin, A. C. T.; ddard,W. A., III;Zeiri, Y.; Katz, G.; Kosloff, R. J. Phys. Chem. A 2011, 115,10181. doi: 10.1021/jp202059v(15) Rom, N.; Zybin, S. V.; Van Duin, A. C. T.; ddard,W. A., III;Zeiri, Y.; Katz, G.; Kosloff, R. J. Phys. Chem. A 2011, 115,10181. doi: 10.1021/jp202059v

    17. [17]

      (16) Zhang, L. Z.; Zybin, S. V.; Van Duin, A. C. T.; Dasgupta, S.; ddard,W. A., III. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 10619. doi: 10.1021/jp901353a(16) Zhang, L. Z.; Zybin, S. V.; Van Duin, A. C. T.; Dasgupta, S.; ddard,W. A., III. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 10619. doi: 10.1021/jp901353a

    18. [18]

      (17) Qian, H. J.; Van Duin, A. C. T.; Morokuma, K.; Irle, S. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 2040. doi: 10.1021/ct200197v(17) Qian, H. J.; Van Duin, A. C. T.; Morokuma, K.; Irle, S. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 2040. doi: 10.1021/ct200197v

    19. [19]

      (18) Weismiller, M. R.; Van Duin, A. C. T.; Lee, J.; Yetter, R. A.J. Phys. Chem. A 2010, 114, 5485. doi: 10.1021/jp100136c(18) Weismiller, M. R.; Van Duin, A. C. T.; Lee, J.; Yetter, R. A.J. Phys. Chem. A 2010, 114, 5485. doi: 10.1021/jp100136c

    20. [20]

      (19) Agrawalla, S.; Van Duin, A. C. T. J. Phys. Chem. A 2011, 115,960. doi: 10.1021/jp108325e(19) Agrawalla, S.; Van Duin, A. C. T. J. Phys. Chem. A 2011, 115,960. doi: 10.1021/jp108325e

    21. [21]

      (20) Liu, L. C.; Bai, C.; Sun, H. J. Phys. Chem. A 2011, 115,4941. doi: 10.1021/jp110435p(20) Liu, L. C.; Bai, C.; Sun, H. J. Phys. Chem. A 2011, 115,4941. doi: 10.1021/jp110435p

    22. [22]

      (21) Chenoweth, K.; Van Duin, A. C. T.; Dasgupta, S.; ddard,W.A., III. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 1740. doi: 10.1021/jp8081479(21) Chenoweth, K.; Van Duin, A. C. T.; Dasgupta, S.; ddard,W.A., III. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 1740. doi: 10.1021/jp8081479

    23. [23]

      (22) Ge, N. N.;Wei, Y. K.; Ji, G. F.; Chen, X. R.; Zhao, F.;Wei, D.Q. J. Phys. Chem. B 2012, 116, 13696. doi: 10.1021/jp309120t(22) Ge, N. N.;Wei, Y. K.; Ji, G. F.; Chen, X. R.; Zhao, F.;Wei, D.Q. J. Phys. Chem. B 2012, 116, 13696. doi: 10.1021/jp309120t

    24. [24]

      (23) Strachan, A.; Van Duin, A. C. T.; Chakraborty, D.; Dasgupta, S.; ddard,W. A., III. Physical Review Letters 2003, 91 (9),098301. doi: 10.1103/PhysRevLett.91.098301(23) Strachan, A.; Van Duin, A. C. T.; Chakraborty, D.; Dasgupta, S.; ddard,W. A., III. Physical Review Letters 2003, 91 (9),098301. doi: 10.1103/PhysRevLett.91.098301

    25. [25]

      (24) Zhang, L.; Zybin, S. V.; Van Duin, A. C. T.; Dasgupta, S.; ddard,W. A. AIP Conference Proceedings 2006, 845,585. doi: 10.1063/1.2263390(24) Zhang, L.; Zybin, S. V.; Van Duin, A. C. T.; Dasgupta, S.; ddard,W. A. AIP Conference Proceedings 2006, 845,585. doi: 10.1063/1.2263390

    26. [26]

      (25) Budzien, J.; Thompson, A. P.; Zybin, S. V. J. Phys. Chem. B2009, 113, 13142. doi: 10.1021/jp9016695(25) Budzien, J.; Thompson, A. P.; Zybin, S. V. J. Phys. Chem. B2009, 113, 13142. doi: 10.1021/jp9016695

    27. [27]

      (26) Zhang, L. Z.; Zybin, S. V.; Van Duin, A. C. T.; ddard,W. A.,III. Journal of Energetic Materials, 2010, 28, 92. doi: 10.1080/07370652.2010.504682(26) Zhang, L. Z.; Zybin, S. V.; Van Duin, A. C. T.; ddard,W. A.,III. Journal of Energetic Materials, 2010, 28, 92. doi: 10.1080/07370652.2010.504682

    28. [28]

      (27) Nomura, K.; Kalia, R. K.; Nakano, A.; Vashishta, P. Physical Review Letters 2007, 99, 148303. doi: 10.1103/PhysRevLett.99.148303(27) Nomura, K.; Kalia, R. K.; Nakano, A.; Vashishta, P. Physical Review Letters 2007, 99, 148303. doi: 10.1103/PhysRevLett.99.148303

    29. [29]

      (28) An, Q.; Zybin, S. V.; ddard,W. A., III; Botero, A. J.; Blanco,M.; Luo, S. N. Phys. Rev. B 2011, 84, 220101(R). doi: 10.1103/PhysRevB.84.220101(28) An, Q.; Zybin, S. V.; ddard,W. A., III; Botero, A. J.; Blanco,M.; Luo, S. N. Phys. Rev. B 2011, 84, 220101(R). doi: 10.1103/PhysRevB.84.220101

    30. [30]

      (29) Brenner, D.W.; Robertson, D. H.; Elert, M. L.; White, C. T.Physical Review Letters 1993, 70, 2174. doi: 10.1103/PhysRevLett.70.2174(29) Brenner, D.W.; Robertson, D. H.; Elert, M. L.; White, C. T.Physical Review Letters 1993, 70, 2174. doi: 10.1103/PhysRevLett.70.2174

    31. [31]

      (30) Sapozhnikov, F. A.; Dremov, V. V.; Derbenev, I. V.; Karavaev,A. V.; Soulard, L. AIP Conference Proceedings 2007, 955, 463.(30) Sapozhnikov, F. A.; Dremov, V. V.; Derbenev, I. V.; Karavaev,A. V.; Soulard, L. AIP Conference Proceedings 2007, 955, 463.

    32. [32]

      (31) Heim, A. J.; Jensen, N. G.; Kober, E. M.; Germann, T. C. Phys. Rev. E 2008, 78, 046710. doi: 10.1103/PhysRevE.78.046710(31) Heim, A. J.; Jensen, N. G.; Kober, E. M.; Germann, T. C. Phys. Rev. E 2008, 78, 046710. doi: 10.1103/PhysRevE.78.046710

    33. [33]

      (32) Landerville, A. C.; Oleynik, I. I.; White, C. T. Shock Compression of Condensed Matter 2009, 1195, 813.(32) Landerville, A. C.; Oleynik, I. I.; White, C. T. Shock Compression of Condensed Matter 2009, 1195, 813.

    34. [34]

      (33) Mayo, S. L.; Olafson, B. D.; ddard,W. A. Journal of Physical Chemistry 1990, 94, 8897.(33) Mayo, S. L.; Olafson, B. D.; ddard,W. A. Journal of Physical Chemistry 1990, 94, 8897.

    35. [35]

      (34) Rappe, A. K.; Casewit, C. J.; Colwell , K. S.; ddard,W. A.,III; Skiff,W. M. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10024. doi: 10.1021/ja00051a040(34) Rappe, A. K.; Casewit, C. J.; Colwell , K. S.; ddard,W. A.,III; Skiff,W. M. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10024. doi: 10.1021/ja00051a040

    36. [36]

      (35) Shi, Y. F.; Brenner, D.W. J. Phys. Chem. 2007, 127,134503. doi: 10.1063/1.2779877(35) Shi, Y. F.; Brenner, D.W. J. Phys. Chem. 2007, 127,134503. doi: 10.1063/1.2779877

    37. [37]

      (36) Shi, Y. F.; Brenner, D.W. J. Phys. Chem. C 2008, 112,6263. doi: 10.1021/jp7119735(36) Shi, Y. F.; Brenner, D.W. J. Phys. Chem. C 2008, 112,6263. doi: 10.1021/jp7119735

    38. [38]

      (37) Ma, X. F.; Zhu,W. H; Xiao, J. J.; Xiao, H. M. Journal of Hazardous Materials 2008, 156, 201. doi: 10.1016/j.jhazmat.2007.12.068(37) Ma, X. F.; Zhu,W. H; Xiao, J. J.; Xiao, H. M. Journal of Hazardous Materials 2008, 156, 201. doi: 10.1016/j.jhazmat.2007.12.068

    39. [39]

      (38) Liu, L. C.; Liu, Y.; Zybin, S. V.; Sun, H.; ddard,W. A., III. J. Phys. Chem. A 2011, 115, 11016. doi: 10.1021/jp201599t(38) Liu, L. C.; Liu, Y.; Zybin, S. V.; Sun, H.; ddard,W. A., III. J. Phys. Chem. A 2011, 115, 11016. doi: 10.1021/jp201599t

    40. [40]

      (39) Zhou, T. T.; Zybin, S. V.; Liu, Y.; Huang, F. L.; ddard,W. A.J. Appl. Phys. 2012, 111, 124904. doi: 10.1063/1.4729114(39) Zhou, T. T.; Zybin, S. V.; Liu, Y.; Huang, F. L.; ddard,W. A.J. Appl. Phys. 2012, 111, 124904. doi: 10.1063/1.4729114

    41. [41]

      (40) http://www.ccdc.cam.ac.uk (accessed Feb 26, 2013).(40) http://www.ccdc.cam.ac.uk (accessed Feb 26, 2013).

    42. [42]

      (41) Turner, A. G.; Davis, L. P. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106,5447. doi: 10.1021/ja00331a011(41) Turner, A. G.; Davis, L. P. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106,5447. doi: 10.1021/ja00331a011

    43. [43]

      (42) Viecelli, J. A.; Glosli, J. N. J. Chem. Phys. 2002, 117,11352. doi: 10.1063/1.1522395(42) Viecelli, J. A.; Glosli, J. N. J. Chem. Phys. 2002, 117,11352. doi: 10.1063/1.1522395

    44. [44]

      (43) Mironov, E. V.; Petrov, E. A.; Korets, A. Y. Combust. Explos. Shock Waves 2004, 40, 473. doi: 10.1023/B:CESW.0000033571.82326.6a(43) Mironov, E. V.; Petrov, E. A.; Korets, A. Y. Combust. Explos. Shock Waves 2004, 40, 473. doi: 10.1023/B:CESW.0000033571.82326.6a

    45. [45]

      (44) Kruger, A.; Kataoka, F.; Ozawa, M.; Fujino, T.; Suzuki, Y.;Aleksenski, A. E.; Vul, A. Y.; Osawa, E. Carbon 2005, 43,1722. doi: 10.1016/j.carbon.2005.02.020(44) Kruger, A.; Kataoka, F.; Ozawa, M.; Fujino, T.; Suzuki, Y.;Aleksenski, A. E.; Vul, A. Y.; Osawa, E. Carbon 2005, 43,1722. doi: 10.1016/j.carbon.2005.02.020

    46. [46]

      (45) Ten, K. A.; Aulchenko, V. M.; Lukjanchikov, L. A.; Pruuel, E.R.; Shekhtman, L. I.; Tolochko, B. P.; Zhogin, I. L.; Zhulanov,V. V. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A2009, 603, 102. doi: 10.1016/j.nima.2008.12.176(45) Ten, K. A.; Aulchenko, V. M.; Lukjanchikov, L. A.; Pruuel, E.R.; Shekhtman, L. I.; Tolochko, B. P.; Zhogin, I. L.; Zhulanov,V. V. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A2009, 603, 102. doi: 10.1016/j.nima.2008.12.176

    47. [47]

      (46) Chevrot, G.; Sollier, A.; Pineau, N. J. Chem. Phys. 2012, 136,084506. doi: 10.1063/1.3686750

      (46) Chevrot, G.; Sollier, A.; Pineau, N. J. Chem. Phys. 2012, 136,084506. doi: 10.1063/1.3686750

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  777
  • 文章访问数:  995
  • HTML全文浏览量:  53
文章相关
  • 发布日期:  2014-01-23
  • 收稿日期:  2013-09-02
  • 网络出版日期:  2013-12-10
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章