在β螺旋磷烯上进行呋喃和二噁英吸附的研究——一项密度泛函理论（DFT）分析

《Journal of Molecular Liquids》：Furan and dioxin adsorption studies on beta helical phosphorene - a DFT study

　　β-螺旋磷烯（β-helical-P）的结构稳定性、动态热稳定性和半导体特性（带隙1.123 eV）通过DFT计算验证，其吸附能力对 furan 和 dioxin 分子进行混合物理/化学吸附研究，发现电荷转移和电子密度变化显著，表明该材料可用于污染气体检测与去除。

　　在当前的研究中，科学家们探讨了一种新型β螺旋磷烯（β-helical-P）的结构稳定性，并验证了其动态和热力学稳定性。通过计算形成能，研究确认了该材料的结构稳定性。同时，通过进一步的分析，研究人员还发现β-helical-P具有良好的吸附性能，可用于吸附呋喃（furan）和二噁英（dioxin）等有害分子。这些分子属于所谓的“dirty dozen”污染物，它们对人体健康和生态环境构成严重威胁。研究采用吸附能来评估这些分子在β-helical-P表面的吸附行为，并发现吸附机制介于物理吸附和化学吸附之间。此外，研究人员还探讨了吸附后β-helical-P的电子属性变化，包括电荷转移、电子密度差异、能隙变化、能带结构和态密度谱（PDOS）的变化。研究结果表明，β-helical-P在检测和去除这些有害分子方面具有显著的潜力，为环境治理和污染物监测提供了新的材料选择。

在当前的研究背景下，二维纳米材料的发现和应用受到了广泛关注。这些材料因其独特的物理和化学性质，被认为是许多新兴技术的重要基础。例如，石墨烯因其优异的导电性和机械强度而备受青睐，但其缺乏天然的能隙限制了其在某些领域的应用。相比之下，磷的同素异形体，如黑磷（black phosphorus）和磷烯（phosphorene），因其可调节的能隙、独特的平面各向异性结构以及高电荷载流子迁移率，被认为在半导体领域具有巨大的应用潜力。黑磷在室温下是最热力学稳定的磷同素异形体，其层间距离约为3.11 ?，每层具有扭曲的结构，由三个配位的磷原子和每个磷原子上存在的孤对电子组成。这种结构使磷烯在与氧气反应时表现出较高的氧化亲和力。因此，磷烯在环境监测和污染物去除方面展现出广阔的应用前景。

为了进一步探索磷烯在吸附和去除污染物方面的潜力，研究者们已经进行了大量的实验和计算研究。例如，E. G.-Hernández等人研究了原始磷烯和硼氮掺杂磷烯在去除苯酚分子方面的效果，发现原始磷烯在检测苯酚方面表现出色，而掺杂的磷烯则在水溶液中更有效地去除苯酚。Xiaohui Ye等人利用磷烯/石墨烯异质结，通过超声方法剥离，用于检测一氧化氮（NO）分子，该异质结表现出高达35.12%的高灵敏度。Hang He等人研究了金修饰的黑磷用于检测氢气和去除NOx分子，发现该材料在检测氢气方面表现出高度的灵敏性，同时能够高效去除NOx。Davood Farmanzadeh团队则研究了氧掺杂磷烯在检测环氧乙烷和乙醛方面的性能，发现氧掺杂的磷烯比原始磷烯具有更强的检测能力。Sara Ahmed等人研究了原始磷烯和过渡金属掺杂的AsP单层对一氧化碳（CO）分子的吸附行为，发现钪和铜掺杂的磷烯在检测CO方面表现出色。Qingxiao Zhou团队则研究了钨硒化物/磷烯异质结在检测氰化氢（HCN）方面的性能，发现该异质结在检测HCN方面具有显著的优势。Davood Farmanzadeh等人还研究了铜掺杂磷烯对苯酚和苯胺的吸附行为，发现这些分子作为电子供体，而掺杂的磷烯则表现出电子受体的特性。此外，铂、金和银掺杂的黑磷被用于去除NO分子，其检测效率受到掺杂导致的应变影响。

这些研究共同表明，通过掺杂和异质结设计，可以显著增强磷烯在吸附和检测污染物方面的性能。而当前的研究则聚焦于一种新的磷烯结构——β螺旋磷烯。该结构的稳定性首先通过形成能进行验证，同时其动态和热力学稳定性也得到了确认。这一发现为β螺旋磷烯在实际应用中的可行性提供了理论支持。此外，研究还发现β螺旋磷烯在吸附呋喃和二噁英分子时表现出混合的物理和化学吸附机制，这表明其表面存在多种相互作用方式，从而提高了吸附效率。同时，电荷转移分析表明，β螺旋磷烯在吸附过程中表现出电子受体的特性，这可能与其表面结构和化学性质有关。

在电子属性方面，研究人员通过分析吸附前后β螺旋磷烯的能带结构和态密度谱，发现其电子特性发生了显著变化。这种变化不仅影响了材料的导电性，还可能改变其对污染物的响应能力。例如，能隙的变化可能影响材料在不同环境条件下的导电行为，而态密度谱的变化则可能揭示吸附分子与材料之间的电子相互作用机制。这些发现为理解β螺旋磷烯在污染物吸附和检测中的行为提供了重要的理论依据。

此外，研究还关注了β螺旋磷烯在吸附呋喃和二噁英分子后的结构变化。通过计算吸附能，研究人员能够评估这些分子在不同吸附位点上的结合强度，并进一步分析其吸附行为的稳定性。吸附能的计算结果表明，这些分子在β螺旋磷烯表面的吸附行为不仅依赖于吸附位点的几何构型，还受到材料表面电子结构的影响。这种复杂的相互作用机制为设计高效吸附材料提供了新的思路。

在实际应用方面，β螺旋磷烯的吸附性能可能使其成为一种理想的环境治理材料。由于呋喃和二噁英等污染物具有高挥发性和强毒性，传统的吸附方法往往难以高效去除这些分子。而β螺旋磷烯的高吸附能力和可调节的电子性质，使其在去除这些污染物时表现出色。此外，该材料的结构稳定性也为其在实际环境中的应用提供了保障。因此，研究者们认为，β螺旋磷烯在环境监测和污染物去除领域具有广阔的应用前景。

在研究方法上，本文采用了基于密度泛函理论（DFT）的计算方法，以模拟和分析β螺旋磷烯的结构和电子性质。通过使用Quantum ATK软件包，研究团队能够精确地计算材料的形成能、吸附能以及电子属性变化。此外，研究还结合了规范守恒伪势（norm-conserving pseudo-Dojo pseudopotential）和中等线性组合原子轨道（m-LCAO）技术，以确保计算结果的准确性和可靠性。这些计算方法为理解材料在吸附过程中的行为提供了重要的理论支持。

在研究过程中，团队还对β螺旋磷烯的几何结构和电子结构进行了详细分析。通过比较不同磷烯同素异形体的结构稳定性，研究发现α和β磷烯在结构上更加稳定，这使得它们在实际应用中更具优势。此外，α-磷的正交晶格结构使其在某些物理和化学性质上具有独特的表现，例如其在不同方向上的导电性差异。而β螺旋磷烯则通过其螺旋结构进一步优化了这些性质，使其在吸附和检测污染物方面表现出更高的效率。

综上所述，当前的研究不仅验证了β螺旋磷烯的结构和热力学稳定性，还深入探讨了其在吸附呋喃和二噁英分子方面的性能。通过分析吸附能、电荷转移、电子密度差异、能隙变化、能带结构和态密度谱，研究团队发现β螺旋磷烯在吸附这些有害分子时表现出混合的物理和化学吸附机制，并且其电子属性在吸附过程中发生了显著变化。这些发现表明，β螺旋磷烯在环境治理和污染物监测领域具有重要的应用价值。未来的研究可以进一步探索该材料在不同环境条件下的性能，以及其在实际应用中的可行性，为开发高效、环保的污染物去除材料提供理论支持和技术指导。