缺陷工程与功能化石墨烯的DFT驱动设计及其在重金属检测与修复中的应用

针对重金属污染治理难题，研究人员通过密度泛函理论(DFT)计算系统研究了缺陷工程（单空位/双空位/Stone-Wales）、硼掺杂及胺基/巯基功能化石墨烯对Pb、Cd、Hg的吸附性能。发现巯基功能化单空位石墨烯对Pb吸附能达-5.20 eV（气相），硼掺杂巯基双空位结构对Cd/Hg吸附最优，原始石墨烯检测Pb的恢复时间仅730 ms。该研究为开发高效重金属吸附材料提供了理论依据。

　　

随着工业化和城市化进程加速，重金属污染已成为威胁环境可持续性和人类健康的全球性难题。镉（Cd）被列为致癌物，可引发肺癌和肾功能障碍；汞（Hg）通过受污染鱼类或工业吸入导致中毒；铅（Pb）则主要损害儿童中枢神经系统。尽管地球表面71%被水覆盖，但可用淡水仅占3%，其中65%又以冰川形式存在，这使得重金属对有限水资源的污染问题尤为严峻。传统检测和修复方法存在成本高、效率低等局限，而二维材料石墨烯因其独特的电子结构和可调控性，被视为解决这一难题的新希望。

Bharathiar大学（印度）的研究团队通过密度泛函理论(DFT)系统探究了缺陷工程、化学掺杂和边缘功能化对石墨烯重金属吸附性能的调控机制。研究人员构建了包含42个碳原子的石墨烯模型，采用HSE06杂化泛函和LANL2DZ基组进行计算，通过引入单空位(MV)、双空位(DV)和Stone-Wales(SW)缺陷，结合硼掺杂及胺基(-NH₂)/巯基(-SH)功能化，系统评估了这些改性策略对Pb、Cd、Hg的吸附性能影响。研究结果发表于《Next Research》，为设计高效重金属吸附材料提供了重要理论指导。

关键技术方法包括：1) 采用HSE06/LANL2DZ水平的DFT计算评估电子结构；2) 通过局域轨道定位器(LOL)和自然键轨道(NBO)分析化学键变化；3) 利用溶剂化可极化连续模型(SCRF)模拟水介质环境效应；4) 通过振动频率分析确认结构稳定性；5) 计算吸附能和恢复时间等传感参数。

几何结构与能量学分析
优化后的原始石墨烯(PG)碳碳键长为1.42 ?。单空位缺陷导致邻近三个碳原子形成重构五边形结构，双空位缺陷则产生八元环-五元环组合。Stone-Wales缺陷通过C-C键旋转形成两个五元环和两个七元环。所有改性石墨烯的凝聚能均在-6.9至-7.1 eV/原子范围，证实结构稳定性。

重金属吸附性能
巯基功能化单空位石墨烯对Pb表现出最强吸附能（气相-5.20 eV，水相-4.17 eV）。硼掺杂巯基双空位结构对Cd吸附最优，而相同修饰的Stone-Wales结构对Hg捕获效果最佳。电子结构分析表明，缺陷位点和硼掺杂协同增强重金属与基底间的电荷转移。

传感特性
原始石墨烯检测Pb的恢复时间最短（730 ms），巯基单空位结构对Cd检测仅需113 ps，硼掺杂巯基双空位结构对Hg检测恢复时间达23 ps。DOS分析显示，重金属吸附后费米能级附近出现新态，证实强烈的电子相互作用。

结论与意义
该研究证实：1) 缺陷工程可显著提升石墨烯对重金属的吸附能力；2) 巯基功能化与硼掺杂具有协同增强效应；3) 水介质环境会使吸附能降低约1 eV但仍保持强结合；4) 不同重金属需针对性优化石墨烯修饰策略。这项工作不仅为理解重金属-石墨烯相互作用机制提供理论框架，更为开发低成本、高效率的环境修复材料指明了方向，对保障饮用水安全和公共卫生具有重要意义。研究首次系统比较了多种改性策略的协同效应，其建立的DFT筛选方法可推广至其他污染物治理领域。