烷基取代2-巯基苯并咪唑功能化石墨烯对水中金属离子的吸附机制与结构调控研究

【编辑推荐】本研究针对水体重金属污染治理难题，通过DFT计算结合MEP和QTAIM分析，系统探究了烷基取代2-巯基苯并咪唑(MBI)修饰石墨烯对Cu2+、Pb2+等金属离子的吸附机制。发现G-MBIE-Pb2+体系通过石墨烯-修饰剂协同作用实现21 kcal/mol高吸附能，为设计选择性吸附材料提供了分子层面的理论依据。

　　

水污染治理正面临严峻挑战，特别是重金属离子如铅、铜等在水体中的积累，不仅破坏生态系统，更通过食物链威胁人类健康。传统吸附材料如活性炭存在选择性差、吸附容量有限等问题。石墨烯因其独特的二维结构和超高比表面积被视为理想吸附基质，但原始石墨烯对金属离子的特异性结合能力不足。如何通过分子设计提升其选择性和吸附效率，成为环境材料领域的关键科学问题。

墨西哥科利马大学与智利圣地亚哥大学的研究团队在《Computational and Theoretical Chemistry》发表研究，采用密度泛函理论(DFT)系统研究了烷基链修饰的2-巯基苯并咪唑(MBI)衍生物功能化石墨烯对9种二价金属离子(Cu²⁺、Ni²⁺等)的吸附机制。通过分子静电势(MEP)和量子理论原子拓扑分析(QTAIM)，揭示了石墨烯-配体-金属三者间的电子转移规律与成键本质。

关键技术包括：1)构建氢饱和石墨烯纳米片(C₁₅₀H₃₀)模型；2)采用DFT计算金属离子在不同自旋多重度下的吸附构型；3)通过MEP分析电子密度分布特征；4)运用QTAIM量化键临界点参数以判定相互作用类型。

【Computational details】
研究选用C₁₅₀H₃₀石墨烯模型，测试了Cu²⁺等9种金属离子在不同自旋多重度下的稳定构型。对Mn²⁺、Co²⁺等过渡金属测试2/4/6重态，对Mg²⁺、Pb²⁺等测试1/3/5重态，确保获得基态电子构型。

【Results and discussion】
原始石墨烯吸附能呈现电荷转移主导趋势，但部分体系偏离该规律，表明前线分子轨道作用不可忽视。MBI修饰使吸附能提升至15-21 kcal/mol，其中MBIM-Cu²⁺因d轨道电子配位产生显著增强效应。G-MBIE-Pb²⁺体系通过石墨烯π电子、硫孤对电子与Pb²⁺的协同作用，形成稳定三元复合结构。QTAIM分析证实存在中等强度共价相互作用（ρ≈0.1 a.u.）。

【Conclusions】
研究证实烷基链长度调控MBI衍生物的空间取向，进而影响金属配位几何构型。Cu²⁺因Jahn-Teller效应呈现特征性四方平面配位，而Pb²⁺则倾向形成畸变八面体结构。该工作为开发石墨烯基选择性吸附剂提供了理论蓝图，特别在重金属污染应急处理方面具有应用潜力。

这项研究的创新性在于首次阐明MBI烷基链长度-石墨烯电子结构-金属配位模式的构效关系，通过多尺度理论模拟为环境功能材料设计提供了新范式。研究团队指出，后续可结合机器学习优化修饰基团组合，进一步提升对砷、汞等有毒元素的捕获效率。