【3D-COF吸附Dps】：三维共价有机框架用于染料污染物的吸附行为研究

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摘要：
University of Birjand的Farzaneh Farzad团队报道的本篇（npj Clean Water 2024, 7, 27 ）中探究了三维共价有机框架（COFs）对染料污染物的吸附行为。通过分子动力学（MD）和良温元动力学模拟，评估COFs对七种染料污染物（DPs）的吸附能力，包括甲基橙（MO）、幽兰紫（GV）、亮绿（BG）、托罗纳米氯化物（TC）、亚甲基蓝（MB）、阿那红（CR）和罗丹明B（Rh B）。通过模拟轨迹计算了几个描述符，包括相互作用能、均方根偏差、径向分布函数、溶剂可及表面积、平均平方位移和氢键数量，以了解吸附过程。结果显示，MO/COFs系统表现出卓越的稳定性，总相互作用能达到-448.54 KJmol-1。各染料分子在MO和Rh B-COFs系统中的密度分布显示出最高峰值分别约为325.79和26.75 kg/m³。DPs/COFs复合物在全局极小点处的自由能值分别达到约-512.127、-435.603、-381.244、-300.313和-283.230 kJmol-1。TFFPy-COF的设计独特性、超快速动力学、高吸附容量和良好的再利用性使其在水环境中去除染料具有巨大潜力。

研究背景：
1）染料是工业中常用的污染物，如染色、造纸、印刷、塑料、皮革和制药等行业。这些染料的长期降解循环使得其自然降解变得具有挑战性。
2）染料污染物，如MO、GV、BG、TC、MB、CR和Rh B，由于其高毒性、长期持久性、对DNA的突变和致癌性，被归类为生物危险物质。
3）针对水污染物的去除，包括吸附、膜过程和光催化降解等多种策略，COFs作为吸附剂引起了广泛关注。
4）COFs是一种具有二维或三维结构的晶体多孔材料，具有独特的结构和性质，对去除染料污染物具有巨大潜力。

实验部分：
1）通过MD和良温元动力学模拟，研究了COFs对七种染料污染物的吸附行为。
2）实验结果显示MO/COFs系统具有最高的稳定性，总相互作用能为-448.54 KJmol-1。
3）MO和Rh B-COFs系统中染料分子的密度分布显示出最高峰值，分别约为325.79和26.75 kg/m³。
4）各染料与COFs的相互作用能、根均方偏差、径向分布函数、溶剂可及表面积、平均平方位移和氢键数量等进行了详细分析。

分析测试：
1）相互作用能：计算了Lennard-Jones、静电和总能量，发现MO/COFs和GV/COFs系统具有最高的相互作用能。
2）系统稳定性：通过RMSD分析，所有研究系统在100 ns后达到平衡。
3）分子在水中的分散：使用溶剂可及表面积（SASA）分析，发现随着时间的推移，所有研究系统的疏水SASA值减小。
4）氢键形成潜力：计算了所有系统的氢键数量，发现MO/COFs系统具有最多的氢键。
5）均方位移（MSD）：计算了有机染料污染物的扩散系数，MO/COFs系统的斜率最低，表明其吸附的染料分子在表面上的移动受到限制。
6）径向分布函数（RDF）：分析了染料分子在COFs结构周围的分布，发现MO/COFs系统具有最高的RDF峰值。
7）密度剖面：计算了染料分子在MO/GV/BG/TC/MB/CR和Rh B/COFs系统中的密度分布，发现MO/COFs系统具有最高的峰值。

总结：
1）通过实验和模拟分析，证实了COFs对染料污染物的高效吸附能力。
2）MO/COFs系统表现出最佳的吸附稳定性和能力，具有潜力用于水环境中的染料去除。

展望：
未来的研究可以进一步探索COFs在水处理领域的应用，优化吸附效率和再利用性。
需要解决COFs在酸性环境下的稳定性、染料浓度、材料安全性和成本等挑战，以实现更广泛的应用。
希望未来的研究可以进一步深入探讨COFs在环境领域的应用，拓展其在染料去除等方面的潜力。

The strategy of three-dimensional Covalent Organic Frameworks to exclude dye contaminants in aqueous solutions
文章作者：Afsaneh Ghahari, Farzaneh Farzad & Reza Azadnejad
DOI：10.1038/s41545-024-00311-y
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41545-024-00311-y

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