基于分子反應動力學模擬的六甲基二硅氧烷熱解機理研究

作為有高比表面積、強表面活性以及優(yōu)良光學性能的納米材料，二氧化硅納米顆粒在生物醫(yī)學、催化、半導體、光學等領域都有著廣泛的應用[1-3]?；鹧鏆庀嗪铣墒侵苽涠趸杓{米顆粒的最重要技術之一。有機硅六甲基二硅氧烷(HMDSO)因為沸點低、穩(wěn)定性好以及燃燒無污染等特點，成為制備SiO2納米顆粒的理想前體之一。然而火焰合成過程非常復雜，通常包含熱解和氧化過程，且反應發(fā)生在極短的時間內(nèi)，燃燒溫度、停留時間、火焰成分、前體濃度等條件變化都會對關鍵產(chǎn)物(例如SiO2以及CH3基團)的形成造成影響，使合成的SiO2納米顆粒的結構尺寸及表面特性發(fā)生改變[4-5]。了解六甲基二硅氧烷的熱解過程和機理，一方面便于理解不同反應條件對熱解產(chǎn)物的影響，從而制備出所需要的SiO2顆粒；另一方面有利于建立六甲基二硅氧烷的反應動力學模型并為開展數(shù)值模擬奠定基礎。

目前國內(nèi)外學者針對HMDSO的熱解反應過程已經(jīng)開展了理論和實驗研究。Chernyshev等[6]在650~720℃的流動反應器內(nèi)進行了HMDSO熱解實驗，通過對產(chǎn)物的檢測發(fā)現(xiàn)HMDSO熱解會產(chǎn)生二甲基硅酮等物質(zhì)，并根據(jù)檢測到的產(chǎn)物對HMDSO熱解過程進行分析，提出了三條可能的HMDSO初始熱解反應路徑。Alexander等[7]則利用等離子體反應器進行了HMDSO熱解實驗，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中存在H2、CH3、CH4等小分子產(chǎn)物以及一些小的含硅碎片，例如(CH3)2SiH。Chrystie等[8]研究了低壓貧氧惰性氣氛下的HMDSO燃燒，提出了HMDSO在H2/O2/Ar火焰中熱分解的10步反應機理，進一步加深了人們對HMDSO熱解過程的理解。Almond等[9]通過量子化學計算，研究分析了HMDSO初始熱解過程中的反應路徑，揭示了HMDSO初始熱解過程中最有可能發(fā)生的反應路徑為Si—C鍵解離導致的甲基脫離。當前實驗手段只能針對少數(shù)可檢測的物質(zhì)(例如碳氫化合物和SiO)從宏觀層面開展反應路徑分析和機理研究[6-8]，而很多重要熱解產(chǎn)物目前的實驗手段難以測量，所以需要開展理論計算，而量子化學計算雖然精度高，但其過高的計算成本限制了模擬規(guī)模和時間[10]，且量子化學計算需要對反應路徑有先驗認知[11]。所以為了充分理解HMDSO的熱解過程及其機理，需要采用更為合適的方法開展進一步深入的研究。

分子動力學模擬(MD)相比于量子化學計算成本更低，能夠模擬更大規(guī)模的分子體系。隨著近些年來ReaxFF反應力場的不斷發(fā)展，其被用于研究更為復雜的反應體系的成鍵、斷鍵以及電荷轉移過程。ReaxFF力場的開發(fā)使用了研究體系量子化學計算數(shù)據(jù)組成的訓練集，所以能以接近量子化學計算的精度進行大規(guī)模的體系模擬，且ReaxFF MD方法無須對反應路徑有先驗認知，可以模擬體系內(nèi)分子間相互反應的過程[12-13]。因此，基于ReaxFF反應力場的分子動力學模擬方法能夠以較低的計算成本對復雜反應動力學過程進行研究，例如它可以用來研究物質(zhì)的熱解和燃燒反應過程及機理[14-28]。目前，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)開發(fā)了許多適用于C/H/O/Si體系的ReaxFF反應力場，并成功應用于不同的研究領域[29-32]，但每個力場都有著自己的使用范圍，已報道的力場是否適用于有機硅HMDSO熱解反應體系還有待進一步研究。本文采用ReaxFF MD方法從分子角度進行大規(guī)模體系的化學反應動力學研究以揭示HMDSO的熱解反應過程，首先從已報道的文獻中挑選了多個針對C/H/O/Si體系的反應力場，分析該體系下不同力場的適用性，然后選擇最優(yōu)力場開展不同溫度和壓力下的HMDSO多分子體系熱解模擬研究，并結合HMDSO熱解氣相色譜實驗的產(chǎn)物分析，從微觀與宏觀兩個層面深入剖析HMDSO的熱解過程和機理。

1 研究方法

1.1 模擬方法

ReaxFF反應力場首先由van Duin等[11-12]基于鍵級理論開發(fā)而來，其采用從原子間距離得到的鍵級來描述當前時刻原子的連接狀態(tài)，并以鍵級為基礎計算鍵角、二面角、庫侖力、范德華力等原子間相互作用，從而來預測研究對象的結構和性質(zhì)。隨著反應進行，鍵級不斷地進行迭代更新，讓ReaxFF反應力場可以正確描述復雜體系中的化學反應過程，而且計算成本相對低廉。

目前已公布的ReaxFF力場中有不少適用于C/H/O/Si體系，但即使研究體系元素組成相同，通過不同量子化學計算數(shù)據(jù)優(yōu)化得到的力場參數(shù)之間也會存在著較大差異，如果未經(jīng)驗證貿(mào)然使用不合適的力場會產(chǎn)生不合理的模擬結果。本次模擬挑選了三個適用于C/H/O/Si體系且為燃燒分類的ReaxFF反應力場進行驗證，其中：力場A來自Newsome等[29]對暴露于O2和H2O中的SiC表面初始氧化過程的研究，其結合了先前為C/H/O及Si/O系統(tǒng)開發(fā)的ReaxFF力場并使用了包含Si/Si、Si/O、Si/H、Si/C的量子力學(QM)訓練集對力場進行擴展優(yōu)化；力場B來自Kulkarni等[30]對O2與SiO2表面相互作用的研究，在描述SiO2-H2O界面ReaxFFSiO力場的基礎上進行了擴展優(yōu)化；力場C來自Soria等[31]對硅表面烷基層分解的研究，結合了先前為Si/H、C/H以及Si/C/H/O開發(fā)的ReaxFF力場，使用了包含Si/H、Si/C、C/C、C/H的量子力學訓練集對力場進行擴展優(yōu)化。在接下來的模擬計算中，將以A~C來代指上述對應的力場。

在模擬前，首先對HMDSO分子結構進行優(yōu)化，其幾何構型如圖1所示。然后，將20個優(yōu)化后的HMDSO分子隨機分布于模擬盒中，構建的體系初始構型如圖2所示，通過LAMMPS軟件對體系進行能量最小化處理，然后在298 K、1 atm（1 atm=101325 Pa）條件下使用NPT系綜對體系進行30 ps的壓縮與弛豫。

圖1

圖1   HMDSO分子幾何構型

Fig.1   Geometry of HMDSO molecule

圖2

圖2   HMDSO分子熱解模擬體系的初始構型

Fig.2   The initial structure of HMDSO pyrolysis simulation system

為了確定在不同ReaxFF力場下HMDSO分子模型的熱解溫度，在LAMMPS軟件中使用ReaxFF MD，針對上述三種反應力場A~C開展300~2500 K、持續(xù)500 ps的勻速升溫模擬。在合適的熱解溫度下使用各力場對HMDSO單分子以及20個分子的體系進行500 ps的等溫熱解模擬，以研究不同力場條件下HMDSO熱解模擬反應路徑。整個模擬過程采用NVT系綜，時間步長設置為0.25 fs，采用Berendsen控溫，溫度阻尼系數(shù)為25 fs，每800步進行一次輸出，鍵級截止值設置為0.3 ?（1 ?=0.1 nm），通過基于原子間距離得到的鍵級進行產(chǎn)物分析。為了防止等溫模擬初期由于溫度的劇烈變化導致的體系波動，在模擬開始前為體系內(nèi)原子設置了目標溫度下基于高斯分布的初始隨機速度，并挑選了三組目標溫度下的等溫熱解模擬進行初始階段溫度演化分析，如圖3所示。通過模擬前25 ps溫度變化可以發(fā)現(xiàn)，賦予原子目標溫度下的隨機速度并未使溫度曲線出現(xiàn)劇烈振蕩，體系溫度保持在目標溫度附近波動。

圖3

圖3   不同目標溫度下模擬初始階段的溫度演化

Fig.3   Temperature evolutions in the initial stage of simulations at the target temperatures of 1800 K, 2000 K and 2500 K

1.2 實驗方法

向真空管式爐中通入氬氣以排出石英管內(nèi)其他氣體。隨后采用60℃恒溫水浴加熱HMDSO溶劑，向其中通入氬氣形成載氣輸送到管式爐內(nèi)，在700、800和900℃溫度下進行三組熱解實驗，熱解產(chǎn)物通過收集泵泵入采樣袋進行采樣。使用氣相色譜儀火焰離子化檢測器(FID)分析熱解產(chǎn)物，采用外標法校準標樣氣體的種類及含量，根據(jù)出峰時間確定產(chǎn)物種類，與標樣氣體的峰面積之比確定產(chǎn)物含量。

2 結果與討論

2.1 不同力場下的HMDSO熱解升溫模擬

為了了解不同ReaxFF反應力場對HMDSO熱解模擬溫度的影響，統(tǒng)計了不同力場升溫模擬過程中體系HMDSO分子數(shù)隨時間的變化，如圖4所示。

圖4

圖4   不同力場在升溫模擬過程中體系HMDSO分子數(shù)隨時間的變化

Fig.4   Evolution of HMDSO molecular number during the heating simulation with different force fields

圖4中可以看到力場A在模擬進行到300 ps左右時觀察到了HMDSO分子數(shù)下降，由此可以判斷此時體系發(fā)生了熱解反應，而力場B與力場C熱解分別發(fā)生在350 ps和250 ps左右，判斷出使用力場A、B、C所對應的HMDSO初始熱解溫度分別在1500~1600 K之間、1800~1900 K之間以及1400~1500 K之間。圖5展示了不同力場條件下升溫模擬第40 ps時體系情況，此時HMDSO尚未發(fā)生熱解反應，通過觀察軌跡發(fā)現(xiàn)力場A和力場B中HMDSO分子在體系內(nèi)較為分散，而力場C條件下HMDSO分子則聚攏成一團，這說明力場C的分子間作用效果強于力場A和力場B，更傾向于將分子吸引到一起。

圖5

圖5   模擬時間為40 ps時力場A (a)、力場B (b)及力場C (c)的體系分子分布

Fig.5   Molecular structures for force field A (a), force field B (b) and force field C (c) at 40 ps

2.2 不同力場下的HMDSO單分子熱解模擬

為了清晰觀察各個力場下HMDSO熱解模擬過程以揭示其熱解路徑，對HMDSO單分子體系進行了熱解模擬，每個力場在2500 K溫度、NVT系綜下開展十次平行模擬。

在十次平行模擬的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中各個力場得出的反應路徑未出現(xiàn)因模擬次數(shù)導致的明顯差異，圖6給出了使用力場A、B、C時獲得的HMDSO熱解初始反應步。在2500 K下，HMDSO熱解反應的第一步均為Si—C鍵斷裂導致的CH3自由基的脫離，在HMDSO初始熱解反應中Si—C的鍵能最低[9]，CH3解離是最有可能發(fā)生的反應路徑，并且CH3的解離反應會隨著熱解過程進行不斷地發(fā)生。當CH3游離在體系內(nèi)時有概率與HMDSO片段發(fā)生反應，奪去氫生成CH4或是反應生成C2烴類產(chǎn)物，這是體系內(nèi)生成CH4的主要反應。當HMDSO上氫離子被奪取后能觀察到C2H4從中直接脫離。上述反應路徑與先前的實驗結論一致[7]。

圖6

圖6   HMDSO單分子的初始熱解反應步

Fig.6   Primary pyrolysis pathways for decomposition of unimolecular HMDSO

力場C在熱解模擬初始階段中觀察到Si—O鍵的斷裂，HMDSO分解為二甲基硅氧烷(CH3)2SiO和四甲基硅烷(CH3)4Si，隨后兩個片段又迅速重組到了一起(出現(xiàn)于185 ps)。Si—O鍵斷裂的解離能為504 kJ/mol，遠大于Si—C鍵斷裂的能量350 kJ/mol [9]，從鍵能上看在HMDSO熱解反應初期Si—C鍵斷裂發(fā)生的可能性更高。由于力場C分子間更強的吸引力，能觀察到鍵斷裂形成的不穩(wěn)定產(chǎn)物在很短時間內(nèi)重組回HMDSO中，這種現(xiàn)象在模擬過程中反復出現(xiàn)，直至生成例如CH4這類穩(wěn)定的熱解產(chǎn)物。

2.3 不同力場下的HMDSO多分子熱解模擬

使用不同力場對包含20個HMDSO分子的體系在NVT系綜下進行2500 K的等溫熱解模擬。圖7為不同力場條件下體系內(nèi)HMDSO分子及主要產(chǎn)物數(shù)量隨時間的變化，圖8為不同力場條件下HMDSO等溫熱解模擬結束時體系展示。

圖7

圖7   不同力場條件下主要產(chǎn)物隨時間的變化

Fig.7   Evolution of the main products during the simulations with different force fields

圖8

圖8   不同力場條件下HMDSO模擬結束時體系分子分布

Fig.8   Molecular structures of pyrolysis products at the end of the simulation with different force fields

三個力場的主要小分子產(chǎn)物均為CH3、CH4、Si/C/H小分子片段及C2H2、C2H4等C2烴，與實驗結果相符。力場A觀察到了更豐富的小分子產(chǎn)物，例如SiH4及CH2O，力場B與力場C則未觀察到明顯的Si/H和C/H/O體系反應產(chǎn)物，而在實驗中檢測到了C/H/O體系產(chǎn)物[7-8]。Feroughi 等[4]在進行HMDSO低壓貧氧燃燒合成SiO2顆粒以及Chrystie等[8]在低壓貧氧惰性氣氛下的HMDSO燃燒研究中均提及SiO組分的重要性，所以本文也對SiO產(chǎn)物進行了檢測。只在力場A下才觀察到了SiO碎片的出現(xiàn)(出現(xiàn)于148 ps)，其持續(xù)時間基本不超過5ps，對軌跡進一步分析后發(fā)現(xiàn)，SiO產(chǎn)生的原因是一些中間產(chǎn)物上的Si—C鍵全部斷裂導致，但SiO本身極不穩(wěn)定，會在極短時間內(nèi)與體系內(nèi)其他活躍的分子碎片(例如CH3、Si2H4等)重組為其他物質(zhì)，力場B與力場C均沒有觀察到這類重要反應。

截取了模擬結束時可視化體系展示圖，可以發(fā)現(xiàn)力場C的HMDSO熱解片段聚合形成了整塊團簇，如圖8(c)所示。進行的等溫模擬末期并未進行退火，在持續(xù)高溫且沒有增壓的情況下出現(xiàn)如此劇烈的成團現(xiàn)象并不合理，力場C表現(xiàn)出的極強的分子間相互作用表明其并不適合用于該體系的模擬。

綜上，力場A模擬結果與先前的實驗和模擬研究結果較為吻合，相較于其他現(xiàn)有力場更適用于HMDSO熱解體系模擬。

2.4 溫度對HMDSO熱解反應的影響

根據(jù)升溫模擬得到的初始熱解溫度，使用力場A分別在溫度1600、1800、2000、2500 K，壓力1 atm的條件下對HMDSO分子體系進行500 ps的NVT系綜等溫模擬，模擬參數(shù)設置與上文相同。圖9展示了不同溫度下體系部分主要產(chǎn)物隨時間的變化，圖10展示了不同溫度下體系主要含Si產(chǎn)物隨時間的變化。模擬產(chǎn)物主要為CH3、CH4、C2烴、H2、CH2O、小分子Si/H、C/Si/H含Si化合物(例如SiH4、CH4Si等)和尚未完全裂解的分子片段，在高溫下還能觀察到CO和C2的生成。

圖9

圖9   不同溫度下部分主要產(chǎn)物隨時間的變化

Fig.9   Evolution of some main products during the simulations with different temperatures

圖10

圖10   不同溫度下主要含Si產(chǎn)物隨時間的變化

Fig.10   Evolution of the main Si-containing products during the simulations with different temperatures

1600 K溫度下體系內(nèi)主要反應為Si—C鍵的斷裂導致的CH3自由基脫離，與上文HMDSO單分子初始熱解反應結論相一致。CH3由于自身較為活躍的化學性質(zhì)，在體系內(nèi)運動時會與其他分子進行反應與重組，CH3可能與自由基等活躍小分子結合形成更為穩(wěn)定的分子結構；也可能與HMDSO或其片段反應生成較為穩(wěn)定的CH4或C2烴進而脫離；還有可能進行Si—C鍵的重組回存在空位的HMDSO熱解片段上，這些是生成熱解產(chǎn)物CH4及C2烴的主要反應。可以看出不同溫度下體系內(nèi)CH3數(shù)量變化基本呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這與HMDSO熱解過程Si—C鍵的斷裂和CH3后續(xù)的中間反應速率變化有關，溫度越高其分子數(shù)變化幅度越明顯，在1600 K下CH3數(shù)量緩慢上升且未出現(xiàn)大幅下降是因為剛達到熱解溫度導致的體系內(nèi)反應不活躍。除了CH3還觀察到了CH4從HMDSO上脫離，這是由于Si—C鍵斷裂后CH3自由基奪取H進行重組脫離，模擬中該反應觀察到的頻率遠不及Si—C鍵斷裂反應生成CH3，這與量子化學計算得到的CH4脫離所需克服的能壘高于CH3的脫離結論相一致[9]。在熱解反應中觀察到H轉移的現(xiàn)象(1600 K溫度下出現(xiàn)于53 ps)，例如脫去了一個甲基的(CH3)3SiOSi(CH3)2會從其他HMDSO分子或片段上奪取一個H填補在空位上形成(CH3)3SiOSi(CH3)2H。

隨著熱解溫度升高體系內(nèi)觀察到了更多重要反應。高溫下HMDSO發(fā)生了Si—O鍵的斷裂，生成了Si(CH3)4以及(CH3)2SiO (1800 K溫度下出現(xiàn)于198 ps)；觀察到了C2H2從HMDSO熱解片段中脫離。隨著熱解反應的繼續(xù)進行，Si—O鍵斷裂的情況逐漸增多，并且生成的分子片段有概率進行重組聚集成大型團簇，這與Chernyshev等[6]進行的HMDSO熱解反應的實驗結果一致。在整個模擬過程中只觀察到了Si(CH3)4的生成，體系中并沒有發(fā)現(xiàn)Si(CH3)3，這也與HMDSO熱解實驗產(chǎn)物分析結果相一致。由此可以推斷HMDSO熱解中Si—O鍵斷裂反應傾向于形成更為穩(wěn)定的Si(CH3)4而非Si(CH3)3，HMDSO熱解為Si(CH3)4和(CH3)2SiO的反應解離能比熱解為Si(CH3)3和(CH3)3SiO更低[9]。只在較高溫度下觀察到了SiO的生成(2500 K溫度下出現(xiàn)于148 ps)，在整個模擬過程中多次出現(xiàn)又很快反應消失。當熱解溫度很高時體系內(nèi)分子運動極為活躍使得熱解分子片段間的重組反應難以發(fā)生，體系內(nèi)觀測不到大分子團簇，相較于其他模擬溫度整體體系呈現(xiàn)完全碎片化的趨勢，如圖11所示。

圖11

圖11   1800 K與2500 K溫度條件模擬體系展示

Fig.11   Molecular structures of pyrolysis products at 1800 K and 2500 K

2.5 壓力對HMDSO熱解反應的影響

使用NPT系綜在溫度298 K、壓力分別設置為0.1、0.5、1、2、4 atm的條件下對體系進行30 ps的縮放與弛豫，弛豫結束后對應的模擬盒尺寸分別為119.2、84.3、70.4、62.4、49.3 ?，對應HMDSO濃度0.0032、0.0090、0.0155、0.0222、0.0449 g/cm3，在1800 K的溫度下使用力場A對弛豫后的各體系進行等溫模擬。不同壓力下模擬體系總分子數(shù)隨時間變化如圖12所示，體系勢能隨時間變化如圖13所示，而圖14與圖15分別對應了不同壓力模擬主要產(chǎn)物以及主要含Si產(chǎn)物隨時間的分布情況。

圖12

圖12   不同壓力下模擬體系總分子數(shù)隨時間的變化

Fig.12   Evolution of the total molecular number of the system for different pressures

圖13

圖13   不同壓力下模擬體系勢能隨時間的變化

Fig.13   Evolution of potential energy during the whole simulation process with different pressures (1 cal=4.18 J)

圖14

圖14   不同壓力下部分主要產(chǎn)物隨時間的變化

Fig.14   Evolution of some main small molecule products for different pressures

圖15

圖15   不同壓力下主要含Si產(chǎn)物隨時間的變化

Fig.15   Evolution of the main Si-containing products during the simulations with different pressures

體系勢能最初都經(jīng)歷了一段上升期，這是由于吸熱反應導致的。除了0.1 atm外，其他條件下體系經(jīng)過中間反應階段后勢能趨于漸近值，這意味著體系內(nèi)化學反應劇烈程度不斷下降，同時伴隨著穩(wěn)定的最終產(chǎn)物的生成，而0.1 atm條件下勢能保持緩慢上升，在模擬結束時體系勢能最高。圖14中能觀察到在0.1 atm條件下體系內(nèi)CH3自由基數(shù)量不斷上升，而其他壓力下CH3都呈現(xiàn)先上升后減小的趨勢。通過對產(chǎn)物和軌跡的分析發(fā)現(xiàn)0.1 atm下由于體系內(nèi)較低的分子濃度，使得HMDSO經(jīng)過初始熱解階段后分子間發(fā)生后續(xù)反應的概率變低，其體系分子總數(shù)和種類相比于高壓條件更少，但有更多包括CH3在內(nèi)的活躍分子在體系內(nèi)運動，而在高壓時CH3被快速地消耗并且有更多穩(wěn)定的反應產(chǎn)物生成，據(jù)此可以推測在低壓條件下HMDSO熱解產(chǎn)物表面會因不完全熱解接枝聚合更多的自由基。體系內(nèi)團簇的形成也與壓力密切相關，在0.1 atm下并未觀察到明顯的聚合成團現(xiàn)象，含Si產(chǎn)物基本上是HMDSO熱解斷裂形成的片段。隨著模擬壓力增加開始形成團簇，且壓力越大體系分子越密集，形成的團簇尺寸也越大，圖16展示的不同壓力條件下模擬體系圖能很直觀地看出壓力對于體系成團的影響。

圖16

圖16   不同壓力條件下模擬體系分子分布

Fig.16   Molecular structures of pyrolysis products at different pressures

模擬結果表明壓力對于HMDSO熱解的影響主要體現(xiàn)在中間反應程度上。壓力越大體系越擁擠，分子間發(fā)生反應的可能性就越大，不穩(wěn)定的中間體會被快速消耗形成更多穩(wěn)定的熱解產(chǎn)物，體系內(nèi)成團現(xiàn)象也會更加劇烈。

2.6 氣相色譜實驗

為了檢測HMDSO熱解產(chǎn)物以驗證模擬結果的準確性，開展了氣相色譜實驗。氣相色譜儀預設了包括烷烴、烯烴、乙炔等在內(nèi)的部分常見且不超過五個碳的烴類，如表1所示。圖17為不同溫度下HMDSO熱解氣相色譜圖。

表1   氣相色譜儀預設化合物名及結構

Table 1  The chemical name and structure of the preset compound in the gas chromatograph

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圖17

圖17   溫度為700℃、800℃、900℃時HMDSO熱解色譜圖

Fig.17   Chromatography of pyrolysis at 700℃, 800℃, 900℃

熱解溫度700℃時檢測出15種熱解產(chǎn)物，產(chǎn)物種類相比800℃與900℃時更豐富，但是烴類總含量只占產(chǎn)物的不到0.5%，且結構穩(wěn)定的CH4、C2烴等熱解最終產(chǎn)物與在高溫下會發(fā)生裂解的高碳烴類在總產(chǎn)物中的含量占比相差不大，HMDSO在此溫度下尚未完全熱解。熱解溫度800℃時產(chǎn)物中檢測出的烴類產(chǎn)物種類急劇減少，CH4含量提升最多成為主要烴類產(chǎn)物，C2H4含量小幅提升，C2H6含量變化不大，峰4~15對應的產(chǎn)物含量下降或未檢測出，900℃時的熱解產(chǎn)物與800℃時差別不大?？傮w來說隨著溫度升高，HMDSO熱解生成的烴類產(chǎn)物種類明顯減少，大部分為CH4和C2烴，表2給出了不同溫度下ReaxFF MD模擬中主要烴類產(chǎn)物占比，其產(chǎn)物種類和趨勢與實驗結果基本一致，實驗中統(tǒng)計烴類產(chǎn)物含量占比時用作載氣的惰性氣體也參與了統(tǒng)計，所以實驗烴類產(chǎn)物含量占比普遍比模擬結果低。值得注意的是在2500 K模擬時CH4在產(chǎn)物中的含量占比相較于1800 K和2000 K時有所降低。這種現(xiàn)象主要由于等溫熱解模擬研究時并未采用升溫模擬策略，使得熱解溫度很高時部分勢壘相對較高的反應能在模擬前中期發(fā)生，且高溫下產(chǎn)物趨于碎片化，體系總產(chǎn)物數(shù)量劇增，而實驗過程經(jīng)歷了升溫過程和退火過程，這會導致高溫時模擬產(chǎn)物占比與實驗產(chǎn)生較大差異。

表2   不同溫度下ReaxFF MD模擬部分主要烴類產(chǎn)物占總產(chǎn)物分子數(shù)的比例

Table 2  The percentages of some major hydrocarbons in the total products obtained by ReaxFF MD simulation at different temperatures

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2.7 熱解反應網(wǎng)絡

通過觀察ReaxFF MD模擬軌跡以及產(chǎn)物分析，結合氣相色譜實驗數(shù)據(jù)，給出了HMDSO熱解的主要反應路徑，如圖18所示。從圖中反應網(wǎng)絡可以看出，HMDSO初始熱解路徑包括CH3的解離、CH4的解離、Si—O鍵斷裂分解為(CH3)2SiO和Si(CH3)4，以及與其他物質(zhì)結合形成更大的分子結構。在這些反應路徑后面，大部分的反應是通過CH3、CH4等碳氫化合物從HMDSO上斷鍵脫離或是與之重組實現(xiàn)，這些反應貫穿了整個HMDSO熱解反應網(wǎng)絡，是熱解產(chǎn)物CH3、CH4以及C2烴的主要來源，因為這些反應的能壘相對較低，反應更容易進行。HMDSO還有可能發(fā)生Si—O鍵斷裂，從而分解為C/H/Si分子碎片及C/H/Si/O分子碎片，裂解出的碎片處于不穩(wěn)定狀態(tài)，會與其他碎片結合形成大的分子，在模擬中觀察到的分子團簇也是由此產(chǎn)成。需要注意的是，重組反應不僅會發(fā)生在產(chǎn)物碎片之間，HMDSO分子或更大結構的分子也會與這些碎片進行重組，這些現(xiàn)象也可以在圖18中觀察到。HMDSO熱解反應的主要產(chǎn)物除了上述的小分子碳氫化合物、裂解出的分子碎片和形成的分子團簇外，在反應后期還會生成SiH4、SiH2等硅氫化合物以及CH4Si等碳硅氫化合物，CH2O脫離后也會以比較穩(wěn)定的狀態(tài)存在于反應體系內(nèi)。

圖18

圖18   HMDSO主要熱解反應路徑

Fig.18   Overview diagram of HMDSO pyrolysis

3 結論

本文采用ReaxFF MD方法對比了不同ReaxFF反應力場對HMDSO熱解分子動力學模擬過程的影響，觀察不同力場下HMDSO分子熱解路徑，將不同力場進行HMDSO熱解模擬得到的產(chǎn)物分布和模擬軌跡與先前的實驗與模擬結果進行對比，可以得出現(xiàn)有力場中Newsome等[29]針對C/H/O/Si體系開發(fā)的ReaxFF反應力場適用于HMDSO熱解模擬。選定力場后進行了HMDSO熱解模擬，分析了主要產(chǎn)物在不同溫度以及不同壓力條件下的形成及演變規(guī)律，并進行了HMDSO熱解氣相色譜實驗，揭示了HMDSO的熱解反應路徑和機理。結果發(fā)現(xiàn)，溫度對于HMDSO的熱解反應有著重要影響，當溫度達到HMDSO熱解條件時，其初始熱解反應為Si—C鍵斷裂導致的CH3脫離。隨著溫度升高熱解反應加劇，觀察到H轉移、CH4脫離、Si—O鍵斷裂以及分子間重組的一系列反應，熱解的主要產(chǎn)物為CH3、CH4、C2烴、H2、SiH4、CH2O、HMDSO初始熱解片段以及一些大分子團簇。當熱解溫度進一步上升時，發(fā)現(xiàn)HMDSO會因反應過于劇烈而出現(xiàn)熱解產(chǎn)物完全碎片化的現(xiàn)象，分子片段在此溫度下不會聚集成大型分子團簇。SiO作為HMDSO高溫熱解下的中間產(chǎn)物，由于其很不穩(wěn)定，在體系內(nèi)生成之后會很快參與反應消失，除此之外，產(chǎn)物中還會出現(xiàn)少量CO、C2、Si/H以及C/Si/H組成的小分子物質(zhì)。壓力對HMDSO熱解反應的影響主要體現(xiàn)在體系濃度變化導致的中間反應程度改變。當體系壓力增加時，分子間相互碰撞的可能性變高導致中間反應更為劇烈，產(chǎn)物種類增多并且分子間重組成團更為明顯，反之亦然。產(chǎn)物分析發(fā)現(xiàn)體系內(nèi)CH3數(shù)量先上升后下降，其原因是Si—C鍵斷裂反應勢壘較低導致其在熱解初期大量生成，但是CH3本身不夠穩(wěn)定，會與其他的分子結合而不斷消耗，因此反應后期數(shù)量會逐漸下降，體系內(nèi)CH3的數(shù)量變化與HMDSO初始熱解反應與中間反應劇烈程度相關。