基于DFT计算的联苯烯网络对氯代脂肪烃污染物的传感特性研究

本研究通过密度泛函理论(DFT)计算，系统分析了新型石墨烯同素异形体联苯烯(BpN)与三氯乙烯(PCE)、三氯甲烷(TCM)和二氯乙烯(DCE)的相互作用机制。结果表明BpN通过π-π堆叠和范德华力实现物理吸附，吸附能达-0.48 eV，且具备毫秒级快速解吸特性(最快1.33×10?7 s)，其电子结构(HOMO-LUMO能隙1.00 eV)和化学势(-3.92 eV)保持稳定，为环境污染物监测提供了新型传感材料。

　　

研究背景
氯代脂肪烃(CAHs)作为工业常用溶剂，在全球环境介质中广泛存在，其中四氯乙烯(PCE)、三氯甲烷(TCM)和二氯乙烯(DCE)因致癌性和环境持久性被列为优先控制污染物。传统检测技术面临成本高、时效性差等挑战，而二维材料因其独特表面特性成为传感新宠。2021年问世的联苯烯网络(BpN)作为石墨烯同素异形体，在锂存储和气体吸附领域已展现潜力，但其环境传感性能尚未探索。

研究方法
来自Instituto Tecnológico Superior de Zacapoaxtla的研究团队采用密度泛函理论(DFT)，构建C₅₄
H₁₈
的BpN模型(214 ?²
)，计算其与CAHs(PCE:37 ?²
、TCM:27 ?²
、DCE:29 ?²
)在气相和水相中的相互作用。通过几何优化、电子结构分析和溶剂效应模拟，评估吸附能、偶极矩、恢复时间等参数，研究发表于《Journal of Molecular Graphics and Modelling》。

研究结果
1. 相互作用模式与电子特性

• 吸附距离均>3.3 ?证实物理吸附主导，PCE因π-π堆叠作用最强(吸附能-0.48 eV)，TCM(-0.30 eV)和DCE(-0.35 eV)次之
• 水相环境使吸附稳定性降低≤6%
• BpN电子结构保持稳定：HOMO-LUMO能隙1.00 eV，化学势-3.92 eV
• 偶极矩显著增加(TCM体系达1.40 D)，提升溶解性

2. 传感性能

• 快速恢复时间：TCM(1.33×10^?7
  s)和DCE(8.41×10^?7
  s)适合传感应用
• PCE较长解吸时间(1.42×10^?4
  s)显示吸附去除潜力

结论与意义
该研究首次揭示BpN对CAHs的双重功能：对TCM/DCE的快速响应特性(毫秒级)使其成为理想传感材料，而对PCE的较强吸附性则适用于污染修复。材料本征电子性质的稳定性(能隙1.00 eV)和可控的溶剂化效应，为设计环境响应型智能传感器提供了理论依据。这项成果拓展了二维碳材料在环境健康领域的应用场景，为CAHs的实时监测和治理提供了新材料选择。