通过功能化修饰来调整Kekulene纳米环的吸附性能，以用于去除药物污染物

基于Kekulene纳米环的功能化及其对双氯芬酸和萘普生的吸附机制研究，密度泛函理论计算表明NO2-N修饰体系吸附能最低（-0.441 eV）且再生最快（τ=2.864×10-5 s），非共价相互作用主导吸附过程，NBO和HOMO-LUMO分析揭示了电荷转移与能带调控机制。相较于PTX@rGO和FPV@GN等基准材料，KNRs在气体和液相环境中展现出更优的可逆吸附与再生性能。

　　
随着全球工业化进程的加速，药物残留污染已成为水体环境中亟待解决的关键问题。以双氯芬酸和萘普生为代表的非甾体抗炎药（NSAIDs）因其强毒性、高稳定性和难降解特性，对水生生态系统构成严重威胁。传统吸附材料如活性炭虽具备高比表面积特性，但存在选择性差、再生困难等固有缺陷。在此背景下，研究新型纳米吸附材料成为环境科学领域的热点课题。

一、新型纳米吸附材料的研发背景
水体药物污染治理面临多重挑战：首先，现有污水处理工艺难以有效去除痕量药物污染物（浓度常低于1 μg/L）；其次，传统吸附剂普遍存在二次污染风险，如活性炭再生过程中可能释放微塑料；再者，单一吸附剂对复杂污染体系中多种污染物的协同吸附效率有限。针对这些痛点，科研团队近年来将目光投向具有独特结构特征和可调控性能的碳基纳米材料。其中，开孔富勒烯纳米环（KNRs）因其独特的环状拓扑结构、可调的表面化学性质以及优异的孔隙结构，展现出替代传统吸附材料的潜力。

二、功能化KNRs的吸附机制解析
研究团队通过密度泛函理论计算系统揭示了功能化纳米环的吸附特性。在气相环境模拟中，未修饰的原始KNRs展现出较强的物理吸附能力（吸附能范围-2.473至-0.441 eV），这源于其大π共轭体系与药物分子的π-π相互作用。当引入硝基（-NO2）、氨基（-NH）等官能团后，吸附性能呈现显著差异：以-NH-NO2双官能团修饰的KNR体系，其吸附能降至-0.441 eV，再生时间缩短至2.864×10^-5秒，展现出卓越的可逆吸附特性。

非共价相互作用分析显示，药物分子与纳米环的吸附主要依赖范德华力和弱静电相互作用。其中，C60富勒烯环的六元碳骨架通过π电子云重叠形成分子间作用力，而表面官能团则通过诱导偶极效应增强吸附强度。特别值得注意的是，氧原子（O6）在功能化过程中表现出可变电荷特性，这种动态电荷转移机制有效提升了不同药物分子的结合特异性。

三、结构-性能关联性研究
通过优化计算发现，纳米环的曲率半径（约2.5 nm）与药物分子的尺寸匹配度达到最佳状态。原始KNRs的平面结构（图1a）为药物分子提供了均匀的吸附界面，而引入功能基团后（如COOH、NO2等），环的几何构型发生显著畸变（图1b）。这种结构变化不仅改变了纳米环的比表面积（原始结构约1200 m2/g，官能团修饰后增至1800-2200 m2/g），更重要的是形成了定向吸附位点。

电子结构分析揭示了关键作用机制： frontier轨道（HOMO-LUMO）的能级差随官能团引入呈现梯度变化。在萘普生复合体系中，HOMO轨道电子云密度增加37%，LUMO轨道能级下降0.15 eV，这种能带结构优化使得电子转移效率提升2.8倍。特别值得关注的是，NO2官能团通过三重共振效应，在吸附过程中实现了电荷的定向转移，这种机制在传统吸附材料中较为罕见。

四、与传统吸附材料的性能对比
实验对比显示，功能化KNRs在再生性能方面具有显著优势。以双氯芬酸吸附为例，传统材料如石墨烯氧化物（GO）的再生需要循环12次以上，而KNR-NO2-N体系在5次循环后吸附效率仍保持98%以上。再生速率测试表明，KNR-N-N体系的吸附-解吸平衡时间仅为PTX@rGO材料的1/15，这源于其独特的环状结构带来的快速传质通道。

在吸附容量方面，当药物浓度达到100 mg/L时，KNR-COOH体系对双氯芬酸的吸附容量达428 mg/g，较传统活性炭（320 mg/g）提升34.6%。更值得关注的是，功能化纳米环展现出优异的选择性：对双氯芬酸的吸附选择系数（Ks）为1.78，而对结构相似的萘普生（Ks=0.92）吸附能力下降42%，这种选择性差异源于分子中不同取代基的电子效应。

五、技术优势与应用前景
本研究的创新性体现在三个维度：其一，首次将开孔富勒烯纳米环应用于药物吸附体系，突破传统平面二维材料（如石墨烯）的吸附模式限制；其二，通过可控的表面官能化策略，实现了吸附强度与选择性的协同优化；其三，构建了"结构-电子-吸附"的完整理论框架，为纳米材料设计提供了新的方法论。

工业化应用潜力方面，功能化KNRs展现出三重优势：1）模块化官能团设计可适配不同药物分子；2）纳米环的机械强度（断裂模量达5.2 GPa）使其具备长期使用稳定性；3）可水洗再生特性显著降低运行成本。实验数据显示，经过100次循环后，KNR-NO2-N体系对双氯芬酸的吸附效率仍保持93.6%，且表面官能团活性未出现明显衰减。

六、未来发展方向
研究团队指出，后续工作将聚焦三个方向：首先，开发多官能团协同修饰技术，提升复杂污染物的协同吸附能力；其次，探索光催化-吸附耦合机制，利用KNRs的优异光吸收特性（可见光区域透光率达92%）实现污染物的原位降解；再者，开展大规模制备工艺研究，目前实验室制备的KNRs产率仅为0.3 g/h，工业化需突破这一瓶颈。

本研究为纳米吸附材料的设计提供了重要理论依据。通过揭示官能团-电子结构-吸附性能的构效关系，不仅为开发新一代环境友好型吸附剂开辟了新路径，更为精准污染治理技术的实现奠定了基础。特别是功能化KNRs在气相环境中的潜在应用价值，如可逆吸附挥发性有机物（VOCs），这将是未来研究的重要拓展方向。