Zn（Ⅱ）、As（Ⅴ）和PFOS在金属氧化物表面化学吸附的密度泛函研究

摘要

本文采用密度泛函理论(DFT)方法对几种典型的环境污染物分子Zn,(Ⅱ)、As(Ⅴ)和PFOS在金属氧化物表面的化学吸附行为进行了量子化学研究。研究的体系包括Zn(Ⅱ)/水锰矿体系、As(Ⅴ)/锐钛矿体系、Zn(Ⅱ)/锐钛矿体系、As(Ⅴ)-Zn(Ⅱ)/锐钛矿共吸附体系、PFOS/针铁矿体系和PFOS/锐钛矿体系。分别从吸附产物的几何结构、电子结构和吸附热力学等方面研究了体系的微观特征。主要研究成果如下： (1) Zn(Ⅱ)在水锰矿表面发生吸附时，水合吸附构型的稳定性顺序为DC>SE-B>SE-A>DE，水解物种为DC>SE-A>SE-B>DE，这些顺序均符合鲍林第三规则；吸附过程和水解过程相互制约，吸附过程中电子由水锰矿向吸附质的迁移，并结合电子供体-受体相互作用和前线轨道组成分析了吸附产物的稳定性。 (2)对As(Ⅴ)、Zn(Ⅱ)/TiO2吸附体系DC、SC和SE物种电子结构特征进行了研究。As(Ⅴ)和Zn(Ⅱ)在TiO2表面发生吸附时表现为不同的微观机制：As(Ⅴ)与表面氧原子通过As-Oσ键形成较为紧密的结合，Zn(Ⅱ)仅通过孤对电子和外层空轨道与表面进行电子交换形成较为松散的结合。这种微观结合机制的不同导致了两个体系在振动光谱、电荷分布和前线轨道组成等方面的差异。 (3)As(Ⅴ)-Zn(Ⅱ)/锐钛矿表面共吸附体系中吸附质在簇表面的结合程度较之单独吸附体系有所下降；但As(Ⅴ)的存在提高了Zn(Ⅱ)吸附的热力学趋势，反之亦然；Zn(Ⅱ)存在的情况下As(Ⅴ)在锐钛矿表面以DC吸附构型为主；As(Ⅴ)对体系前线轨道分布的影响强于Zn(Ⅱ)，SE构型对前线轨道分布的影响强于DC构型，当As(Ⅴ)和Zn(Ⅱ)发生共吸附时Zn(Ⅱ)的反应活性被削弱。 (4)在PFOS/锐钛矿、针铁矿体系中，PFOS以磺酸基端立式吸附于矿物表面，吸附后磺酸基的结构变化明显；S-O键级下降，C-S和C-F键级上升；各吸附物种的稳定性顺序为Fe>Ti，SC>SE2>SEl>DC；吸附过程中电荷由PFOS的C-F链向矿物表面转移，磺酸基在电荷转移过程中起桥梁作用，吸附态PFOS分子中各自然键轨道对S-C和S-O σ*反键轨道有较强的供电子作用，有利于吸附产物的稳定。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1分子环境科学

1.2亚稳平衡态吸附(Metastable-Equilibrium Adsorption，MEA)理论

1.2.1基本假设

1.2.2 MEA不等式

1.2.3 MEA吸附等温式

1.2.4 MEA理论的微观验证

1.3污染物分子界面行为微观机理研究现状

1.4本文中涉及的几种矿物简介

1.4.1水锰矿

1.4.2锐钛矿

1.4.3针铁矿

1.4.4 Zn(Ⅱ)

1.4.5 As(V)

1.4.6 PFOS

1.5本论文的内容框架

参考文献

第二章密度泛函理论简介

2.1 Thomas-Fermi模型

2.2 Hohenberg-Kohn定理

2.3 Kohn-Sham方法

2.4交换相关能泛函

2.4.1交换相关能泛函的历史沿革

2.4.2交换相关能泛函的分类

参考文献

第三章Zn(Ⅱ)/γ-MnOOH体系化学吸附的密度泛函研究

3.1计算模型及方法

3.2结果与讨论

3.2.1吸附构型与能量

3.2.2吸附与水解热化学

3.2.3自然布居分析

3.2.4前线轨道分析

3.3结论

参考文献

第四章As(V)、Zn(Ⅱ)/Ti02体系电子结构的密度泛函研究

4.1计算模型及方法

4.2结果与讨论

4.2.1振动频率分析

4.2.2自然布居分析

4.2.3自然键轨道分析

4.2.4前线轨道分析

4.3小结

参考文献

第五章As(V)和Zn(Ⅱ)在锐钛矿表面共吸附行为的密度泛函研究

5.1计算模型与方法

5.2结果与讨论

5.2.1吸附构型的几何结构

5.2.2吸附热化学

5.2.3自然布居分析

5.2.4前线分子轨道分析

5.3小结

参考文献

第六章PFOS在锐钛矿、针铁矿表面化学吸附的密度泛函研究

6.1计算模型与方法

6.2结果与讨论

6.2.1吸附构型与能量

6.2.2电荷转移与分布

6.2.3自然键轨道分析

6.3小结

参考文献

第七章结论

7.1主要研究成果

7.2创新点

7.3不足与展望

致谢

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