PVC/V?O?纳米复合材料的合成与分子建模：改善氧化性能和环境修复效果的结构特性

《Inorganic Chemistry Communications》：Synthesis and molecular modeling of PVC/V 2O 5 nanocomposite: Structural properties for improvement of oxidation and environmental remediation

氧化催化与纳米复合材料的协同效应研究。采用XRD、UV-Vis等实验表征V2O5纳米颗粒结构特性，结合DFT和MD模拟揭示PVC/V2O5纳米复合材料的电子吸附机制与热稳定性，证实其HOMO-LUMO能隙减小及界面相互作用增强，在环境污染物降解中展现高效催化潜力。

　　

Hanaa Dakhil Ehaimed Al-Sultani|Ghaith Y. Dakhal|Zainab J. Abdul- Zahr|Duha S. Ahmed|Wafaa Raji Alfatlawi|Ali Abdullah Issa|Doaa S. El Sayed|Suresh Ghotekar|Majid S. Jabir

伊拉克巴格达工程技术学院（Middle Technical University, Engineering Technical College-Baghdad），材料工程技术专业

摘要

本研究探讨了PVC/V?O?纳米复合材料的催化潜力，特别是其催化氧化反应的能力。首先，利用X射线衍射（XRD）、紫外-可见光谱（UV–Vis spectroscopy）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等技术对合成的V?O?纳米颗粒（NPs）的结构和光学性质进行了表征。此外，还采用了密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟。DFT计算重点关注了纳米复合材料的吸附能和电子性质，其特征是适中的HOMO-LUMO能隙，表明了较强的表面相互作用。MD模拟进一步揭示了系统在动态条件下的热稳定性和结构稳定性，吸附系统表现出良好的热稳定性。综合DFT和MD模拟的结果，可以全面理解PVC/V?O?纳米复合材料的分子相互作用、电子稳定性和动态行为。此外，PVC/V?O?的氧化能力源于PVC的稳定性和V?O?的催化活性之间的相互作用，使其在环境净化方面具有广泛应用前景，尤其是在降解水和空气污染物方面。

引言

近期研究越来越多地关注有机聚合物与过渡金属氧化物之间的相互作用，因为它们在制备具有多功能性的先进材料中起着关键作用。在这些系统中，聚氯乙烯（PVC）因其机械柔韧性、化学耐受性和热稳定性而备受关注，尽管它本身缺乏催化活性。相比之下，五氧化二钒（V?O?）具有成熟的氧化还原和催化能力，特别是在氧化反应和环境修复过程中，使其成为近年来研究最广泛的过渡金属氧化物之一。将PVC与V?O?结合成纳米复合材料，可以结合PVC的结构稳定性和柔韧性以及V?O?的催化和表面反应性。关于类似系统（如V?O?与碳基或半导体基体的复合材料）的最新研究表明，带隙显著减小、电子转移增强、污染物降解效率提高以及活性表面积增加。这些进展为本研究聚焦PVC/V?O?复合材料提供了有力的依据，特别是在水和空气净化、能量存储和环境监测应用方面。从方法论的角度来看，本研究结合了V?O?纳米颗粒的实验表征和基于密度泛函理论（DFT）及分子动力学（MD）模拟的PVC/V?O?复合材料的计算建模。这种综合方法通过前沿分子轨道（FMO）能量、分子静电势（MEP）映射和拓扑分析（RDG, NCI）等指标，深入评估了材料的结构、电子和界面性质。实验和计算结果均显示HOMO–LUMO能隙减小，表明其反应性和吸附潜力得到提升。基于DFT的FMO和MEP分析以及MD模拟证实了该复合材料的熱稳定性、有利的电子结构和强烈的界面相互作用，为其在催化和环境应用中的潜力提供了支持。这些方法对于识别控制吸附过程的非共价相互作用至关重要。另一方面，纳米陶瓷的独特性质（如耐腐蚀性、高耐磨性和耐高温能力）补充了PVC的柔韧性和稳定性以及V?O?的催化性能。

材料

所有化学品（如偏钒酸铵（NH?VO?）、硝酸（HNO?）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）均按原样使用，无需进一步纯化。所有制备过程中均使用蒸馏水。

V?O?纳米颗粒的制备

五氧化二钒（V?O?）纳米颗粒采用反射法（Reflex method）制备。将0.170 M的NH?VO?和0.0054 M的CTAB溶解在蒸馏水和乙醇的混合溶液中（比例7:3），并在磁力搅拌下进行制备。

V?O?纳米颗粒的XRD图谱

五氧化二钒（V?O?）纳米颗粒的XRD图谱如图2所示。V?O?的晶体结构与JCPDS卡片96–200-9239一致，属于单斜晶系。衍射峰位于2θ=11.3°和25.1°，分别对应V?O?的（001）和（012）晶面；而2θ=15.5°、27.7°、30.6°、34.4°、40.8°、46.4°和49.4°处的峰强度较弱，也是V?O?的特征。

结论

基于钒氧化物的纳米复合材料（如V?O?）因其优异的催化和吸附性能而受到关注，使其成为环境修复和氧化反应的理想候选材料。然而，将这些材料整合到聚氯乙烯（PVC）等聚合物基体中时，面临长期稳定性、大规模可制造性、可回收性以及在复杂操作条件下的效率保持等挑战。

CRediT作者贡献声明

Hanaa Dakhil Ehaimed Al-Sultani：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论设计、实验研究。 Ghaith Y. Dakhal：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论设计、实验研究。 Zainab J. Abdul- Zahr：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证。 Duha S. Ahmed：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、数据分析。

未引用参考文献

[Accelrys, 2016], [20], [21], [51], [52], [61], [62]

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

Hanaa Dakhil Ehaimed Al-Sultani 伊拉克巴格达工程技术学院（Middle Technical University, Engineering Technical College-Baghdad），材料工程技术专业