基于DFT框架的B12N12纳米笼对亚硝酰卤化物（NOF/NOCl/NOBr）的吸附机制及其环境传感应用研究

本研究通过密度泛函理论（DFT）系统探究了B12N12纳米笼对亚硝酰卤化物（NOF/NOCl/NOBr）的吸附行为。结果表明，三种气体均以物理吸附形式结合，其中NOF因高电负性和偶极相互作用表现出最强吸附能（0.59 eV）及显著电荷转移（0.057 e?）。该纳米笼通过降低化学硬度、提升电负性增强反应活性，且NOF的恢复时间达1402 μs，证实其适用于实时环境污染物监测与清除。

　　

论文解读

空气污染治理的核心挑战在于如何高效捕获高活性污染物。亚硝酰卤化物（NOX，X=F/Cl/Br）作为大气中臭氧和硝酸的前体物质，其监测技术长期受限于传统传感器材料的选择性和可逆性。尽管金属氧化物、石墨烯等材料已被广泛应用，但对NOX的弱吸附和缓慢响应仍是技术瓶颈。近年来，B₁₂N₁₂纳米笼因其独特的笼状结构和可调电子特性成为研究热点，但其对NOX的吸附机制尚未阐明。

为解决这一问题，研究人员通过密度泛函理论（DFT）系统研究了B₁₂N₁₂纳米笼与NOX的相互作用。采用ωB97XD泛函和def2-SVP基组进行几何优化，结合自然键轨道（NBO）、量子理论中的原子（QTAIM）和非共价相互作用（NCI）分析，揭示了吸附过程中的电子转移和弱相互作用机制。

几何优化与结构特征
B₁₂N₁₂纳米笼由6个四元环和8个六元环构成，键长R₆₆为1.45 ?。NOX通过氮端垂直吸附于纳米笼的硼原子位点，形成稳定构型。其中NOF的吸附距离最短（2.14 ?），与其最高吸附能（0.59 eV）一致。

电子性质与反应活性
吸附后纳米笼的HOMO-LUMO能隙从7.32 eV降至6.89 eV（NOF体系），化学硬度降低23%，电负性提升15%。NBO分析显示NOF向纳米笼转移0.057 e^?，而NOBr仅转移0.021 e^?，印证了氟原子的强吸电子效应。

动力学参数与应用潜力
NOF的恢复时间（1402 μs）远高于NOCl（4.17×10^?2 μs），表明其更适合长效监测。偶极矩分析显示NOF-纳米笼复合物达8.09 Debye，显著增强其对外场响应灵敏度。

该研究证实B₁₂N₁₂纳米笼可通过物理吸附实现NOX的高效捕获，其性能调控策略为设计新一代环境传感器提供了理论依据。特别是NOF体系的优异特性，为开发针对高电负性污染物的选择性吸附材料开辟了新途径。论文发表于《Inorganic and Nuclear Chemistry Letters》，为纳米材料在环境修复领域的应用奠定了重要基础。