《模擬和預測水中有機污染物在碳納米管的吸附》是依託大連理工大學,由李雪花擔任醒目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：模擬和預測水中有機污染物在碳納米管的吸附
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李雪花
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
碳納米管與污染物之間的多種相互作用機制，導致吸附差異性普遍存在。在分子水平上闡明碳納米管對有機污染物的吸附機制，並發展碳納米管吸附有機污染物的理論預測模型，具有重要意義。本項目擬採用分子模擬技術，研究碳納米管對水中有機污染物的吸附，通過理論計算不同碳納米管對污染物的吸附能，闡明碳納米管的特徵(直徑、手性、功能團和團聚)以及有機污染物的結構(取代基、分子構型)對吸附的影響規律。採用密度泛函理論研究碳納米管上吸附態分子構象的性質，計算分子結構參數(前線軌道能、電荷轉移參數等)，結合吸附實驗建立碳納米管吸附有機污染物的理論預測模型；並分析不同相互作用對表觀吸附的貢獻，闡明碳納米管對有機污染物的吸附機制。本項目不僅可以為碳納米管作為吸附功能材料在環境領域的套用提供參考依據，還對碳納米管與污染物的生態風險評價具有重要意義。
結題摘要
碳納米管對有機污染物的吸附機制研究，不僅可以為碳納米管在環境領域的套用提供參考依據，還對碳納米管與污染物的生態風險評價具有重要意義。本項目採用分子模擬技術，考察了碳納米管的直徑對吸附能的影響規律，定量分析了吸附過程中的各相互作用力對總吸附能的貢獻，揭示了吸附機制。製備碳納米管色譜柱，測定化合物在碳納米管柱的保留因子，評估了碳納米管對有機化合物的相互作用，建立碳納米管吸附力的理論線性溶解能關係(LSER)模型。 採用密度泛函理論模擬了單壁碳納米管(SWNT(n, n))與五種鹼基的吸附相互作用，考察了SWNTs直徑對SWNTs與鹼基間吸附能的影響，發現吸附能隨直徑的變大而減小；以SWNT(6, 6)為例，計算了SWNT(6, 6)吸附五種鹼基的最穩定吸附構象的吸附能(Ea)，分析發現Ea與電荷轉移量及最高占據分子軌道能具有顯著地線性負相關性。選取一系列具有不同官能團取代的芳香族化合物(環己烷、苯衍生物、多環芳烴)，基於密度泛函理論，模擬了水中化合物在SWNT(8,0)上的吸附，計算了吸附能並定量分析了吸附過程中的可能作用力。研究發現，疏水作用、π-π疊加作用是芳香烴類化合物在SWNT上吸附的主要作用力；假設存在與環己烷具有相似的結構和相同的疏水性質(logKow相等)芳香族化合物，假想芳香族化合物與SWNT相互作用時π-π疊加作用對Ea的貢獻約為25%；分子中存在硝基、羥基和氨基，會加強化合物和SWNT之間的π-π疊加作用；硝基苯與SWNT相互作用時，硝基對其Ea的貢獻約為Ea 的26%。採用高壓勻漿法，製備碳納米管色譜柱，測定了有機化合物在碳納米管色譜柱上的保留因子(k')，評估了有機化合物與碳納米管間的相互作用。建立有機化合物與碳納米管相互作用的LSER模型，揭示了有機化合物與碳納米管的相互作用機制。結果表明，碳納米管與有機化合物的相互作用力與分子極性(E)具有正相關性，π-/n-電子對極化作用在有機化合物與MWCNTs的相互作用中占主導。綜上，通過本項目研究闡明了碳納米管對有機污染的吸附機制，建立了吸附相互作用的LSER模型，提供了一種新的評估/預測碳納米管對有機化合物的吸附力的方法。
