最近，研究人员在《科学报告》杂志上发表了一篇文章，研究了两种先进复合材料–石墨氮化碳(g-C₃N₄)/石墨烯和 MIL-101(Fe)/石墨烯–吸附对乙酰氨基酚、咖啡因和磺胺甲噁唑等常见药物污染物的功效。研究利用分子动力学模拟深入了解了这些材料的吸附机制和吸附能力，有助于开发有效的水处理解决方案。
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背景
药物污染物因其持久性以及对生态系统和人类健康的潜在影响而备受环境关注。传统的废水处理方法往往难以有效去除这些化合物，这促使人们对具有更强吸附能力的材料进行研究。
氮化石墨碳（g-C₃N₄）和金属有机框架（MOFs）（如 MIL-101(Fe)）因其高比表面积和结构特性而备受关注，这使它们适合用于去除污染物。研究表明，将这些材料与石墨烯结合可增强其稳定性和吸附性能。
这项研究模拟了这些复合材料与药物污染物之间的相互作用，评估了它们在实际水净化应用中的潜力。
本次研究
本研究利用分子动力学模拟评估了两种复合材料的吸附性能：氮化石墨碳（g-C₃N₄）/石墨烯和 MIL-101（铁）/石墨烯。第一步是在阿姆斯特丹建模套件的支持下，利用密度泛函紧密结合（DFTB）方法构建和优化纳米复合材料结构。
模拟环境的配置反映了现实条件，温度、压力和密度的参数都得到了控制，以提高结果的准确性。吸附模拟运行了 40 皮秒，在此期间分析了复合材料与药物污染物（对乙酰氨基酚、咖啡因和磺胺甲噁唑）之间的相互作用。
利用反应力场 (ReaxFF) 软件计算材料的范德华相互作用和吸附能力。具体来说，模拟涉及 MIL-101(Fe)/石墨烯复合材料对每种污染物 80 个分子的吸附，以及 g-C₃N₄/ 石墨烯复合材料对 70 个分子的吸附。计算了与吸附过程相关的放热能，以评估相互作用的热力学稳定性。
结果讨论
结果表明，MIL-101(Fe)/石墨烯复合材料对药物污染物的吸附能力明显高于 g-C₃N₄/ 石墨烯复合材料。具体来说，MIL-101(Fe)/石墨烯吸附了对乙酰氨基酚、咖啡因和磺胺甲噁唑各 80 个分子，相应的放热能量分别为 -1174、-1630 和 -2347 MJ/mol。相比之下，g-C₃N₄/石墨烯复合材料只吸附了每种污染物的 70 个分子，放热能量分别为-924、-966 和 -1268 MJ/mol。
这些研究结果表明，MIL-101(Fe)/石墨烯具有更高的污染物去除能力以及与污染物更强的相互作用，这可能是由于其结构特征和金属离子的存在增强了吸附能力。
研究还强调了这两种复合材料对表面堵塞的显著耐受性，而表面堵塞是吸附过程中常见的问题，会随着时间的推移阻碍性能的发挥。这一特性对于水处理领域的实际应用尤为重要，因为它表明这些材料在长时间使用后仍能保持功效。
分子动力学模拟深入揭示了吸附机理，表明范德华相互作用是将药物污染物吸附到复合材料表面的关键。总之，这些结果凸显了这些材料在处理水源中药物污染物方面的潜力。
结论
总之，本研究证明了 MIL-101(Fe)/石墨烯复合材料比 g-C₃N₄/ 石墨烯复合材料具有更强的吸附能力，可去除水中的药物污染物。
分子动力学模拟深入揭示了吸附过程，强调了范德华相互作用的作用以及相关机制的热力学稳定性。鉴于人们日益关注水中的药物污染物，这些发现为开发有效的水处理解决方案提供了支持。
未来的研究可能包括对这些模拟结果进行实验验证，以及测试其他复合材料以进一步增强吸附性。本研究的见解为开发减少药物污染物对公众健康和环境影响的方法奠定了基础。
参考文献
Ibrahim Q., Gharbia S. (2024). Adsorption performance of g-C3N4/graphene, and MIL-101(Fe)/graphene for the removal of pharmaceutical contaminants: a molecular dynamics simulation study. Scientific Reports.
DOI: 10.1038/s41598-024-75443-9,
https://www.nature.com/articles/s41598-024-75443-9
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