硫掺杂碳表面协同吸附CO2与烟气组分（N2/O2/SO2）的DFT机理研究及竞争吸附机制解析

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：DFT Study of Co-adsorption of CO 2 and Flue Gas Components (N 2, O 2, and SO 2) on Carbon Surfaces Doped with Various Sulfur-Containing Functional Groups

　　本文采用密度泛函理论（DFT）深入探究硫掺杂碳材料（含噻吩、亚砜、砜官能团）对CO2与烟气组分（N2、O2、SO2）竞争吸附的调控机制。通过吸附能、静电势（ESP）、弱相互作用分析（IGMH）揭示：非极性气体（N2/O2）以物理吸附为主，而强极性SO2存在物理/化学吸附协同路径，其化学吸附可增强表面静电势进而促进CO2捕获。研究为硫掺杂碳材料在碳捕集（CCUS）中的应用提供理论基石。

　　

Highlight

硫掺杂碳表面通过静电势重分布与弱相互作用调控，显著增强CO₂在烟气多组分环境下的吸附选择性。非极性分子N₂/O₂主要依赖范德华力吸附，而强极性的SO₂则可通过化学吸附改变表面电子云密度，为CO₂捕获创造"电子热点"。

Section snippets

Computational Details

本研究所有密度泛函理论（DFT）计算（包括分子结构优化、振动频率分析和单点能计算）均通过Gaussian 16程序完成。采用14元碳环作为原始模型，因其具有低Dias值和高稳定性，已被验证适用于CO₂、H₂O等气体的吸附模拟。基于该碳环，进一步构建含噻吩型、亚砜型、砜型硫掺杂的碳簇模型，以精准解析官能团特异性作用机制。

Electrostatic Potential Analysis of Different Molecules and Carbon Surfaces

如图3所示，CO₂、N₂、O₂和SO₂分子的静电势分布存在显著差异（注：图示未附）。CO₂分子呈线性对称结构，其强四极矩特性赋予碳原子区域高正静电势（红色数值），而氧原子端呈现负电势（蓝色数值）。相比之下，N₂和O₂作为非极性分子，其静电势分布较为均匀。SO₂则因硫原子携带强正电性、氧原子带负电，表现出明显的极性特征，为其与掺杂碳表面的强静电相互作用奠定基础。

Conclusions

通过DFT模拟系统阐明了噻吩、亚砜、砜三种硫掺杂官能团对碳表面吸附N₂、O₂、SO₂的影响机制。结果表明：N₂/O₂的吸附主要依赖分散作用，且O₂吸附对边缘硫掺杂敏感；而SO₂在化学吸附中可重构表面电子环境，间接提升CO₂捕获效率。该研究为多组分烟气条件下碳材料优化设计提供了分子级见解。