【摘要】：研究碳納米材料對(duì)有機(jī)污染物的吸附行為,對(duì)于了解碳納米材料和有機(jī)污染物的環(huán)境歸趨、評(píng)估其潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。碳納米材料結(jié)構(gòu)各異,環(huán)境中的有機(jī)污染物種類多樣,環(huán)境因素對(duì)碳納米材料吸附的影響機(jī)理復(fù)雜,僅通過實(shí)驗(yàn)研究難以滿足風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理的需求,因而亟需發(fā)展計(jì)算模擬及預(yù)測(cè)的方法來研究碳納米材料對(duì)有機(jī)污染物的吸附行為。本研究選取單壁碳納米管(Single-walled carbon nanotubes,SWNTs)、石墨烯及氧化石墨烯為吸附劑模型,代表性脂肪族和芳香族化合物為吸附質(zhì)模型,采用密度泛函理論(Density functional theory,DFT)和分子動(dòng)力學(xué)(Molecular dynamics,MD)方法,考察了碳納米管的管徑與手性、石墨烯表面的含氧官能團(tuán)和有機(jī)物的官能團(tuán)對(duì)吸附的影響以及氣相和水相中石墨烯吸附作用的差異,基于實(shí)驗(yàn)測(cè)定和計(jì)算模擬的吸附數(shù)據(jù)分別構(gòu)建了 SWNTs、石墨烯以及氧化石墨烯吸附有機(jī)污染物的定量構(gòu)效關(guān)系(Quantitative structure activity relationship，QSAR)預(yù)測(cè)模型,并定量了不同吸附作用對(duì)總吸附的貢獻(xiàn)。具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:(1)基于61種有機(jī)污染物在SWNTs上的實(shí)驗(yàn)吸附平衡常數(shù)（K）以及有機(jī)污染物的理論分子結(jié)構(gòu)描述符值,采用多元線性回歸(Multiple linear regression,MLR)和支持向量機(jī)(Support vector machine,SVM)分別構(gòu)建了可用于預(yù)測(cè)有機(jī)污染物在水中SWNTs表面logK值的線性和非線性模型。所建的MLR模型和SVM模型的應(yīng)用域覆蓋的化合物含各種官能團(tuán):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模型較MLR模型具有更好的擬合優(yōu)度、穩(wěn)健性和預(yù)測(cè)能力。模型結(jié)果表明,有機(jī)污染物在水中SWNTs表面吸附的主要驅(qū)動(dòng)力為范德華作用和疏水作用。(2)采用DFT方法計(jì)算模擬了 38種有機(jī)物(脂肪族化合物、苯及其衍生物和多環(huán)芳烴)在氣相和水相中石墨烯表面的吸附。發(fā)展了兩個(gè)多參數(shù)線性自由能關(guān)系(Poly-parameter linear free energy relationship,pp-LFER)模型可用于預(yù)測(cè)氣相和水相中有機(jī)物在石墨烯表面的吸附能,并基于pp-LFER模型估算了各種相互作用對(duì)吸附的貢獻(xiàn)。氣相吸附的主要驅(qū)動(dòng)力為色散作用和靜電作用;而水相吸附主要受色散作用和疏水作用影響。此外,還發(fā)現(xiàn)了 SWNTs對(duì)有機(jī)物的吸附能隨管徑的增大而增強(qiáng),石墨烯對(duì)有機(jī)物的吸附能強(qiáng)于SWNTs。(3)采用MD模擬預(yù)測(cè)了 43種芳香型化合物在水中石墨烯和含有不同氧化官能團(tuán)的石墨烯上的logK值。結(jié)果發(fā)現(xiàn),石墨烯比氧化石墨烯具有更強(qiáng)的吸附性能;氧化石墨烯上的羥基和羰基與有機(jī)物形成了氫鍵,而環(huán)氧基則沒有與有機(jī)物形成氫鍵。構(gòu)建了兩個(gè)理論線性溶解能關(guān)系模型,可預(yù)測(cè)有機(jī)物(苯、苯乙醇、苯酚、苯胺、硝基苯、苯甲腈、鹵代苯、酮、酯、聯(lián)苯及其衍生物、多環(huán)芳烴和多溴聯(lián)苯醚)在水中石墨烯和氧化石墨烯表面的logK值。模型結(jié)果顯示,供氫能力(εa)、色散與疏水作用(V)對(duì)石墨烯表面logK值的影響最顯著;而對(duì)于氧化石墨烯表面的logK值而言,εa的影響最顯著。
【圖文】：

．２邋Ｖｅｃｔｏｒ邋Ｃ／，，邋ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｃｈｉｒａｌｉｔｙ邋ｏｆ邋ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｌｌｅｄ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｎａｎｏｔ米材料是指僅有一維尺度為納米量級(jí)的碳納米材料，其重要墨烯是由ｓｐ２雜化的碳原子以六方晶格的方式排列形成的單米材料的性質(zhì)逡逑料因其結(jié)構(gòu)獨(dú)特而具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)。在電學(xué)性質(zhì)方其他碳納米材料。在室溫條件下，石墨烯的電子遷移率可高電阻率較低；它會(huì)產(chǎn)生半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)還具有超導(dǎo)壁碳納米管的軸向熱導(dǎo)率在室溫條件Ｋ可高達(dá)３５００熱性的金屬銅的熱導(dǎo)率４０１邋Ｗ－ｎＶ１１Ｃ１。單層石墨烯在平面方丨４。在光學(xué)性質(zhì)方面，純的富勒烯Ｃ６Ｇ對(duì)可見光吸收熒光發(fā)射和光吸收特性［２１１。經(jīng)過修飾的碳納米管也具有光吸聚合物包覆／嫁接的多壁碳納米管會(huì)產(chǎn)生非線性光吸收米管會(huì)發(fā)射熒光，且熒光光譜對(duì)溶劑具有依附性［２３］。作為零帶

（２）密度泛函理論逡逑量子化學(xué)的絕大多數(shù)研究對(duì)象是多電子體系，如果假設(shè)體系含有ＴＶ個(gè)電子，每個(gè)電逡逑子有３個(gè)空間坐標(biāo)和１個(gè)自旋坐標(biāo)，共４個(gè)坐標(biāo)，那么，對(duì)于含有７Ｖ個(gè)電子的體系，它逡逑的波函數(shù)中就有４７Ｖ個(gè)坐標(biāo)自變量。隨著體系電子數(shù)的增多，波函數(shù)＊／／中的自變量也逡逑會(huì)X椂�，这样哉r蠼猓櫻茫瑁潁叮洌椋椋椋紓澹蚍匠痰氖焙潁撲懔烤突岜淶梅淺４�。密洞_漢礪坼義鮮墻繾用芏茸魑玖浚傭婊壞舨ê�。道`用芏戎皇牽頻暮�，仅有三辶x希福義

本文編號(hào)：2708947