Computational design of deep eutectic solvent functionalized ZIF-8/biochar with high selectivity for mephedrone: Experimental validation and microscopic mechanism

吸附 共晶体系 氢键 选择性 密度泛函理论 化学工程 化学 分子 选择性吸附 材料科学 溶剂 计算化学 有机化学 工程类 催化作用 合金
作者
Rong Zhu,Shurui Cao,Jie Tian,Mengni Luo,Jiade You,Zhiqiong Chen
出处
期刊:Journal of Cleaner Production [Elsevier]
卷期号:399: 136687-136687 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.jclepro.2023.136687
摘要

Deep eutectic solvents (DESs), an innovative class of adsorbent modifiers and pore expanders, possessed millions of possible combinations that extend their application in tailor-made designs. According to the structural features of mephedrone (4-methylmethcathinone, 4MMC), a predictive virtual library comprising 20 candidates was designed to guide the screening of DESs using density functional theory (DFT). Then, three types of DES-functionalized magnetic ZIF-8/shrimp shell biochar (DMZSCs) were successfully synthesized. Batch adsorption experiments and selectivity evaluation experiments consolidated the results of computational prediction. DMZSC-B had a maximum adsorption capacity of 3104.12 μg g−1 for 4MMC, and this adsorption process was spontaneous and almost irreversible, with one 4MMC molecule anchored to 1.47 receptor sites. The remarkable adsorption originated from a synergistic coordination between suitable pore size distribution and multiple adsorption sites. DMZSC-B further exhibited a stable adsorption capacity at a wide pH and selective properties for 4MMC in the coexistence of multi-chemicals. A combination of theoretical investigations, characterizations and experiments illustrated that the adsorption mechanisms were governed by pore-filling, hydrogen bonding and π-π interaction. The selective driving forces followed the sequence of π-π interaction > hydrogen bonding interaction and the proportion contribution of the three functional groups of DMZSC-B was aromatic ring > –OH > –COOH.
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