PFOS在锐钛型TiO2表面的吸附理论研究：DFT分析

"PFOS在锐钛型TiO2表面吸附行为的理论研究 (2013年)，薛倩倩，何广智，夏树伟，潘摇纲" 这篇2013年的论文深入探讨了全氟辛烷磺酸(PFOS)在锐钛型二氧化钛(TiO2)表面的吸附行为，主要采用了密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法进行模拟计算。PFOS是一种常见的环境污染物，因其持久性和生物累积性而引起广泛关注。在本研究中，作者关注的是PFOS如何通过化学吸附和物理吸附与TiO2表面相互作用。 首先，论文指出PFOS分子倾向于与TiO2表面形成氢键，这是由于其分子结构中含有的磺酸基(-SO3-)可以与TiO2的羟基(-OH)或水分子(H2O)发生相互作用。在化学吸附的四种可能构型中，包括双齿双核(BB)和单齿单核(MM)的情况，研究发现PFOS更可能与表面的水分子而非羟基发生反应。具体来说，MM1构型，即PFOS取代一个表面水分子的情况，是化学吸附的最稳定状态。 吸附能(Eads)和反应吉布斯自由能(ΔGads)的计算结果显示，H2O取代比羟基取代更容易发生，这表明在TiO2表面，PFOS与水分子形成化学键的倾向更大。吸附的热力学稳定性与反应自发性的顺序为：氢键吸附>MM1(取代一个表面水分子)>BB1(取代两个表面水分子)>MM2(取代一个表面羟基)>BB2(取代一个表面水分子和一个表面羟基)。 进一步的成键结构分析揭示，PFOS上的磺酸基与TiO2表面的H2O/—OH通过中等强度的氢键连接。在化学吸附过程中，电子从PFOS分子转移到TiO2表面，形成Ti—O—S化学键，这一过程的主要电荷贡献来自PFOS分子的氧(O)和氟(F)原子。 这项研究对于理解PFOS在环境中的行为以及如何设计更有效的去除策略具有重要意义。同时，它也为环境科学领域提供了关于污染物与无机材料表面相互作用的理论基础，有助于未来在污染物控制和纳米材料应用方面的研究。该工作得到了国家自然科学基金和环境水质学国家重点实验室专项经费的支持。