Molecular simulation of adsorption properties of thiol-functionalized titanium dioxide (TiO2) nanostructure for heavy metal ions removal from aqueous solution

吸附 硫醇 分子 水溶液 化学 共价键 二氧化钛 金属 密度泛函理论 无机化学 分子动力学 物理化学 计算化学 材料科学 有机化学 冶金
作者
Beibei Chen,Lin Li,Lei Liu,Jianxin Cao
出处
期刊:Journal of Molecular Liquids [Elsevier BV]
卷期号:346: 118281-118281 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.molliq.2021.118281
摘要

We investigated the adsorption of Cd ion as a primary contaminant heavy metal in drinking water on titanium dioxide (TiO2) and thiol-functionalized TiO2 (thiol-TiO2). The dispersion corrected density functional theory (DFT-D2) calculation is used for structural relaxation and second-order MP2 (second-order Møller-Plesset) calculations for interaction energy (Eint) estimation. The results reveal that the Cd bound very strongly (Eint: −4.566 eV) to the TiO2 and strongly to the thiol-TiO2 (Eint: −1.882 eV). Our findings show that the H2O molecule is adsorbed very strongly on the TiO2 surface (Eint −4.535 eV) while it is attached weakly to the thiol-TiO2 (Eint −0.076 eV). The DFT-based molecular dynamic (MD) simulations at ambient conditions reveal that water molecules are first adsorbed on the nano-TiO2 surface, and then the Cd ion is co-adsorbed on the surface. Meanwhile, for thiol-nanoTiO2, a new chemical bond was formed between the Cd ion and S atom of the thiol group at 1 ps. The analysis of the AIM (Atom-In-Molecule) theory demonstrated that the types of interactions are typical for the electrostatics accompanied with partial covalent bonding between Cd ion and both O and S atoms. Our molecular simulations offer a well-founded understanding of the adsorption mechanisms of heavy metals on TiO2 and thiol-TiO2 at ambient conditions.
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