碳纳米材料吸附有机污染物的计算模拟及预测
发布时间：2020-06-12 03:36
【摘要】：研究碳纳米材料对有机污染物的吸附行为,对于了解碳纳米材料和有机污染物的环境归趋、评估其潜在的生态风险至关重要。碳纳米材料结构各异,环境中的有机污染物种类多样,环境因素对碳纳米材料吸附的影响机理复杂,仅通过实验研究难以满足风险评估与管理的需求,因而亟需发展计算模拟及预测的方法来研究碳纳米材料对有机污染物的吸附行为。本研究选取单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotubes,SWNTs)、石墨烯及氧化石墨烯为吸附剂模型,代表性脂肪族和芳香族化合物为吸附质模型,采用密度泛函理论(Density functional theory,DFT)和分子动力学(Molecular dynamics,MD)方法,考察了碳纳米管的管径与手性、石墨烯表面的含氧官能团和有机物的官能团对吸附的影响以及气相和水相中石墨烯吸附作用的差异,基于实验测定和计算模拟的吸附数据分别构建了 SWNTs、石墨烯以及氧化石墨烯吸附有机污染物的定量构效关系(Quantitative structure activity relationship，QSAR)预测模型,并定量了不同吸附作用对总吸附的贡献。具体研究内容和结论如下:(1)基于61种有机污染物在SWNTs上的实验吸附平衡常数（K）以及有机污染物的理论分子结构描述符值,采用多元线性回归(Multiple linear regression,MLR)和支持向量机(Support vector machine,SVM)分别构建了可用于预测有机污染物在水中SWNTs表面logK值的线性和非线性模型。所建的MLR模型和SVM模型的应用域覆盖的化合物含各种官能团:C=C,-C≡C-,-C6H5,C=O，-COOH,-C(O)O-,-OH,-OF，-Cl,-Br,-NH2,-NH-,N-,N-N,-NO2,N-C(O)-NH2,N-C(O)-NH-,-S-和-S(O)(O)-。SVM模型较MLR模型具有更好的拟合优度、稳健性和预测能力。模型结果表明,有机污染物在水中SWNTs表面吸附的主要驱动力为范德华作用和疏水作用。(2)采用DFT方法计算模拟了 38种有机物(脂肪族化合物、苯及其衍生物和多环芳烃)在气相和水相中石墨烯表面的吸附。发展了两个多参数线性自由能关系(Poly-parameter linear free energy relationship,pp-LFER)模型可用于预测气相和水相中有机物在石墨烯表面的吸附能,并基于pp-LFER模型估算了各种相互作用对吸附的贡献。气相吸附的主要驱动力为色散作用和静电作用;而水相吸附主要受色散作用和疏水作用影响。此外,还发现了 SWNTs对有机物的吸附能随管径的增大而增强,石墨烯对有机物的吸附能强于SWNTs。(3)采用MD模拟预测了 43种芳香型化合物在水中石墨烯和含有不同氧化官能团的石墨烯上的logK值。结果发现,石墨烯比氧化石墨烯具有更强的吸附性能;氧化石墨烯上的羟基和羰基与有机物形成了氢键,而环氧基则没有与有机物形成氢键。构建了两个理论线性溶解能关系模型,可预测有机物(苯、苯乙醇、苯酚、苯胺、硝基苯、苯甲腈、卤代苯、酮、酯、联苯及其衍生物、多环芳烃和多溴联苯醚)在水中石墨烯和氧化石墨烯表面的logK值。模型结果显示,供氢能力(εa)、色散与疏水作用(V)对石墨烯表面logK值的影响最显著;而对于氧化石墨烯表面的logK值而言,εa的影响最显著。
【图文】：
．２邋Ｖｅｃｔｏｒ邋Ｃ／，，邋ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｃｈｉｒａｌｉｔｙ邋ｏｆ邋ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｌｌｅｄ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔ米材料是指仅有一维尺度为纳米量级的碳纳米材料，其重要墨烯是由ｓｐ２杂化的碳原子以六方晶格的方式排列形成的单米材料的性质逡逑料因其结构独特而具有优异的物理化学性质。在电学性质方其他碳纳米材料。在室温条件下，石墨烯的电子迁移率可高电阻率较低；它会产生半整数量子霍尔效应还具有超导壁碳纳米管的轴向热导率在室温条件Ｋ可高达３５００热性的金属铜的热导率４０１邋Ｗ－ｎＶ１１Ｃ１。单层石墨烯在平面方丨４。在光学性质方面，纯的富勒烯Ｃ６Ｇ对可见光吸收荧光发射和光吸收特性［２１１。经过修饰的碳纳米管也具有光吸聚合物包覆／嫁接的多壁碳纳米管会产生非线性光吸收米管会发射荧光，且荧光光谱对溶剂具有依附性［２３］。作为零带
（２）密度泛函理论逡逑量子化学的绝大多数研究对象是多电子体系，如果假设体系含有ＴＶ个电子，每个电逡逑子有３个空间坐标和１个自旋坐标，共４个坐标，那么，对于含有７Ｖ个电子的体系，它逡逑的波函数中就有４７Ｖ个坐标自变量。随着体系电子数的增多，波函数＊／／中的自变量也逡逑会X椂啵庋谇蠼猓樱茫瑁颍叮洌椋椋椋纾澹蚍匠痰氖焙颍扑懔烤突岜涞梅浅４蟆Ｃ芏确汉砺坼义鲜墙缱用芏茸魑玖浚佣婊坏舨ê５缱用芏戎皇牵频暮鲇腥义希福义
本文编号：2708947
【图文】：
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（２）密度泛函理论逡逑量子化学的绝大多数研究对象是多电子体系，如果假设体系含有ＴＶ个电子，每个电逡逑子有３个空间坐标和１个自旋坐标，共４个坐标，那么，对于含有７Ｖ个电子的体系，它逡逑的波函数中就有４７Ｖ个坐标自变量。随着体系电子数的增多，波函数＊／／中的自变量也逡逑会X椂啵庋谇蠼猓樱茫瑁颍叮洌椋椋椋纾澹蚍匠痰氖焙颍扑懔烤突岜涞梅浅４蟆Ｃ芏确汉砺坼义鲜墙缱用芏茸魑玖浚佣婊坏舨ê５缱用芏戎皇牵频暮鲇腥义希福义
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