金属-卟啉体系选择性吸附痕量土臭素的理论设计与电子特性调控

这篇研究采用DFT（密度泛函理论）、QTAIM（量子理论中的原子）、NCI（非共价相互作用）分析和分子动力学模拟等多尺度计算方法，揭示了铜配位显著提升卟啉(Porphin)对土臭素(Geosmin)的吸附性能：吸附等量热从18.66增至20.67 kcal/mol，HOMO-LUMO能隙缩小至0.00083 eV呈现半金属特性，为新型VOC（挥发性有机物）传感器和水净化技术提供理论依据。

　　

Highlight

铜配位使卟啉框架的土臭素吸附性能产生质的飞跃：平均吸附等量热提升至20.7 kcal/mol，能量分布更集中；HOMO-LUMO能隙从0.0756 eV剧降至0.00083 eV，电子反应性显著增强，系统呈现半金属特性。分子动力学模拟证实该框架具备±0.17 kcal/mol的热稳定性波动，成为兼具选择性吸附与电子信号放大的理想传感平台。

Calculations models

所有量子化学计算均基于Gaussian 16实现的密度泛函理论(DFT)，采用B3LYP/LanL2DZ方法进行几何优化、频率分析和前沿轨道能(E_HOMO与E_LUMO)计算。初始分子模型通过模拟退火构建，确保构象空间全面采样。

Adsorption study

模拟退火吸附实验显示：铜配位卟啉(GP-Cu)的土臭素结合能分布较原始卟啉(GP)更窄且向低能区偏移，Mulliken电荷分析揭示羟基参与的电荷转移，证实范德华力和氢键协同作用机制。

Limitations of the study

需注意本研究采用真空/隐式溶剂模型，未考虑真实水环境中其他有机物竞争吸附或pH变化的影响，后续需结合显式溶剂分子和混合VOC体系验证。

Conclusions

铜配位卟啉通过电荷重分布和能隙调控，实现土臭素的高效捕获与电子信号转导，为开发智能水处理材料开辟新路径。