Density Functional Theory-Guided Molecular Level Design of Biomaterials for Efficient, Cost-effective, and Sustainable Adsorption of Hexavalent Chromium from Wastewater

材料科学 六价铬 吸附 密度泛函理论 废水 化学工程 纳米技术 废物管理 有机化学 冶金 计算化学 工程类 化学
作者
Ya-Ge Wu,Cao Qi,Shuang Dai,Jing Zhao,Ya‐Juan Cai,Chuan‐Zhe Zhao,Zihao Yang,Yi-Xing Sun,Ting Yue,Kexiao Sang,Jing‐Gang Gai,Ma Tao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (37): 52883-52901
标识
DOI:10.1021/acsami.5c11746
摘要

The low-carbon strategy mandates the sustainable remediation of hexavalent chromium (Cr(VI)) contamination, driving the demand for efficient eco-adsorbents. However, current research prioritizes adsorption performance, neglecting environmental trade-offs and quantum chemical mechanisms of Cr(VI) adsorption. Here, we pioneered the first density functional theory (DFT) exploration of Cr(VI) adsorption mechanisms across chitosan (CS), polydopamine (PDA), UiO-66-NH2, and polyethylenimine. Results identify PDA with the highest Cr(VI) affinity (ΔEads = -16.66 eV). Additionally, CS/PDA nanocomposites reduce the HOMO-LUMO gap by 53% (from 5.343 to 2.531 eV), markedly enhancing the reactivity. Critically, protonation-induced surface charge rearrangement triggers covalent Cr-N bonding via O p (hydroxyl)/N p (amine)-Cr d/O p (HCrO4-) orbital coupling, resulting in the highest adsorption strength (ΔEads = -20.41 eV). This mechanism synergizes with the intrinsic reactivity of HCrO4- (2.942 eV compared to CrO42- at 3.295 eV), explaining the enhanced adsorption efficiency at an acidic pH, as validated experimentally. The Langmuir model predicts a maximum adsorption capacity of 268.9 mg/g, which is 22.9% to 580.8% higher than previously reported values. Life cycle assessment (LCA) then exposed energy-intensive processes as the dominant carbon source, directly motivating our low-energy design: a one-pot citric acid synthesis eliminates thermal drying, utilizing natural cross-linking and multisite chemisorption to achieve an ultralow carbon footprint (4.72 kg of CO2 eq/kg, 90% reduction) at scalable cost (74.9 CNY/kg, 69% reduction).
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