多芳香环聚离子液体与酚类化合物的分子间相互作用机制解析：芳香性、π-π堆积与吸附性能研究

本研究针对煤化工废水中酚类化合物分离难题，通过设计含不同芳香环数的聚离子液体（PIL）单体，结合量子化学计算与波函数分析，揭示了PIL与酚类化合物的吸附机制。研究发现3B2IM和7B2IM单体因更强的芳香性和π电子离域特性，对酚类表现出超30 kcal/mol的强吸附能，且分散力主导相互作用。该工作为高效PIL吸附剂设计提供了理论依据，发表于《Fuel》。

　　

论文解读

煤化工废水中的酚类化合物既是高附加值化工原料，也是难降解污染物。当前分离技术如吸附法虽成本低廉，但传统吸附剂选择性不足，且分子水平作用机制不明确。尤其酚类与吸附剂间的π-π堆积、氢键等非共价相互作用缺乏系统性研究。针对这一瓶颈，中国研究人员通过量子化学计算与多尺度分析，首次揭示了多芳香环聚离子液体（PIL）与酚类化合物的分子识别规律。

研究采用密度泛函理论（DFT）在B3LYP/6-311G(d)水平进行几何优化，结合DFTD3(BJ)色散校正。通过多中心键级（衡量芳香性）和自适应自然密度分区（AdNDP）分析电子结构，并运用sobEDAw能量分解、独立梯度模型（IGMH）和局域化轨道定位器（LOL-π）解析相互作用。

结构与芳香性分析
多中心键级显示7B2IM的键级值（0.080 a.u.）和AdNDP轨道能（-0.5669 a.u.）均最高，表明其苯环芳香性最强，3B2IM次之。这一特性使其π电子离域程度更高，为后续吸附奠定基础。

相互作用机制
sobEDAw计算表明3B2IM与苯酚（BF）、乙基苯酚（EJF）的相互作用能超30 kcal/mol，显著强于其他单体。IGMH可视化证实吸附主要发生在PIL芳环中心，且色散力贡献占比超60%。LOL-π和π布居分析进一步揭示酚类苯环与PIL间存在显著π-π叠加效应，而静电作用则影响复合物构型。

溶剂化效应
隐式溶剂模型计算显示，极性溶剂（如乙醇）可有效降低酚类与PIL的结合能，为实际脱附工艺提供理论指导。

结论与意义
该研究首次从电子结构层面阐明了PIL芳环数量与酚类吸附性能的构效关系，证实3B2IM和7B2IM因卓越的芳香性和π电子调控能力，可作为高效吸附剂候选。成果不仅为煤化工废水处理提供了新材料设计策略，其建立的量子化学分析方法还可拓展至其他芳香族污染物分离体系。论文发表于能源领域顶级期刊《Fuel》，兼具学术创新性与工业应用价值。