Page 223 - 《精细化工）》2023年第10期

第 10 期 张欣磊，等: 芳胺废渣衍生多孔碳高效吸附去除对硝基苯酚
墨烯团簇模型与 PNP 分子间的吸附相互作用力最
弱，为–72.95 kJ/mol。这也充分证实了 N、O 原子
掺杂能够提升碳基吸附剂对 PNP 的吸附性能。为了
探究 N 原子数量对吸附能的影响，模拟了在缺陷处
存在 4 个 N 原子的吡啶—N 4 结构和 3 个 N 原子的石
墨—N 3 结构。可以看出，对于极性的吡啶—N 结构
的吸附能会随着 N 原子数量的增加产生大幅度提
高，吡啶—N 4 结构吸附能达到了–117.04 kJ/mol。在
O 原子修饰的结构中，羧基官能团吸附能最大，为
–104.67 kJ/mol。
为了进一步研究 PNP 分子与上述吡啶—N 4 和
羧基功能化石墨烯团簇表面的相互作用力，引入不
同颜色的映射符号（sign）（λ 2 ）ρ 函数的非共价相
互作用（NCI，如范德华力、氢键和空间位阻）分
析（图 10b）。NCI 是一种基于电子密度（ρ）和约
化密度梯度的可视化指标。在 NCI 数据图中，一般
利用红色、绿色和蓝色来直观地表现作用力的类型。
其中用绿色表示该区域存在色散力和静电吸引力为
主的范德华力；蓝色表示存在氢键的强吸引力作用；
红色则表示存在空间位阻等产生的排斥力
10b 可以发现，无论是吡啶—N 4 还是羧基修饰体系，
PNP 分子 和石墨烯团 簇表面的约 化密度梯度
（RDG）等面均呈现大面积的绿色，表明吸附过程
的主要驱动力为低电子密度的范德华力。同时，
PNP 分子中的酚羟基与吡啶—N 4 和羧基官能团团
簇表面的 O 原子间的 RDG 等面分别显示深蓝色和
浅蓝色，这归因于该区域存在由 O—H…N 和 O—
H…O 型氢键产生的强吸引力作用，排斥力主要是
由于空间位阻所产生。
3 结论
对于传统的制备方法而言，往往需要对原料进
行炭化，然后再利用活化剂进行高温活化操作。芳
胺废渣为原料，氧化镁作为模板剂，通过一次炭化
操作成功合成了一种 N、O 原位共掺杂的多孔碳。
700 ℃的炭化温度不仅远低于物理活化法，甚至比
大多数化学活化法所需的温度要低，大幅度降低了
制备过程的能耗。在静态吸附实验中，PNP 在
RPC-1.00 表面的吸附过程更符合 Langmuir 模型，
达到 562.66 mg/g 的吸附容量；吸附过程更符合准二
阶动力学模型；在 pH 2~7 的范围内吸附效果最佳，
且杂质离子对吸附影响不大；固定床动态吸附实验
中的吸附容量为 345.01 mg/g。分子模拟计算发现，
N、O 原子的掺入能够增加吸附体系的色散力和静
电吸引力，有效提高吸附能。吡啶—N 4 和羧基结构
也能产生很强的氢键作用力，增强了吸附能力。
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