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綜述：第一性原理計算在環(huán)境行業(yè)中的應(yīng)用

來源：時間：2024-06-18 16:06:51 瀏覽：3299次

引言

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注日益增加，環(huán)境行業(yè)正在尋求高效的技術(shù)和方法來解決污染、廢物處理和能源轉(zhuǎn)換等問題。第一性原理計算，作為一種基于量子力學(xué)的計算方法，為理解和預(yù)測材料在環(huán)境應(yīng)用中的行為提供了強有力的理論支持。

第一性原理計算的核心價值

第一性原理計算能夠從最基本的物理定律出發(fā)，無需經(jīng)驗參數(shù)，直接計算材料的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、擴散勢壘和反應(yīng)動力學(xué)等性質(zhì)。這為環(huán)境污染物的降解、環(huán)境材料的設(shè)計和環(huán)境風(fēng)險評估提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

應(yīng)用領(lǐng)域

環(huán)境污染物的降解機制 第一性原理計算用于模擬污染物分子在光照、催化等條件下的降解反應(yīng)，計算反應(yīng)的活化能和速率常數(shù)，揭示降解機理。
環(huán)境催化劑的設(shè)計與優(yōu)化 通過計算催化劑表面的吸附能和反應(yīng)中間體的能量，第一性原理計算有助于篩選和設(shè)計新型高效環(huán)境催化劑。
環(huán)境材料的光電性質(zhì)預(yù)測 第一性原理計算預(yù)測材料的能帶結(jié)構(gòu)和電子遷移率，為開發(fā)光催化材料和傳感器提供理論指導(dǎo)。
環(huán)境風(fēng)險評估和生態(tài)毒性預(yù)測 第一性原理計算評估化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境持久性、生物降解性和生態(tài)毒性，為環(huán)境風(fēng)險管理提供科學(xué)依據(jù)。

案例分析

光催化材料的活性位點識別 2020年，研究者利用第一性原理計算分析了二氧化鈦(TiO2)光催化材料的活性位點[1]。通過計算不同晶面上的電子態(tài)密度和吸附能，研究揭示了特定晶面的活性位點對污染物分子的高吸附能力和促進電子-空穴對分離的能力。
污染物的光化學(xué)轉(zhuǎn)化路徑 2019年，研究人員應(yīng)用第一性原理計算模擬了大氣中氮氧化物(NOx)的光化學(xué)轉(zhuǎn)化過程[2]。計算了NOx分子在光照下的激發(fā)態(tài)能級和電子躍遷路徑，闡明了光化學(xué)還原為氮氣的反應(yīng)機理。
重金屬吸附材料的篩選 2018年，通過第一性原理計算，研究者篩選了多種金屬有機框架(MOFs)材料對水體中的鉛(Pb)和鎘(Cd)離子的吸附能力[3]。計算了金屬離子與MOFs框架的結(jié)合能和吸附構(gòu)型，為開發(fā)高效的重金屬吸附材料提供了理論依據(jù)。
環(huán)境修復(fù)材料的電子結(jié)構(gòu)優(yōu)化 2021年，研究者使用第一性原理計算優(yōu)化了石墨烯基材料用于環(huán)境修復(fù)的電子結(jié)構(gòu)[4]。通過計算摻雜和缺陷工程對石墨烯電子性質(zhì)的影響，研究揭示了提高污染物吸附和催化降解效率的新材料設(shè)計策略。

未來發(fā)展趨勢

預(yù)計第一性原理計算將與機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)更緊密地結(jié)合，實現(xiàn)更高效的材料篩選和過程優(yōu)化。隨著計算方法的不斷進步，仿真的精度和效率將得到顯著提升。

結(jié)論

第一性原理計算在環(huán)境行業(yè)的應(yīng)用為理解和解決環(huán)境問題提供了重要的理論支持，通過深入分析環(huán)境化學(xué)過程的分子機制，促進了環(huán)境技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

參考文獻

Y. Liu, et al., "Identification of active sites on TiO2 for environmental photocatalysis: A first-principles study," Applied Catalysis B: Environmental, vol. 260, 2020, 118300.
J. Wang, et al., "Photochemical transformation of NOx in the atmosphere: Insights from first-principles calculations," Environmental Science & Technology, vol. 53, 2019, pp. 12356-12364.
S. Zhang, et al., "Screening of metal-organic frameworks for heavy metal adsorption in water treatment: A first-principles study," Chemical Engineering Journal, vol. 353, 2019, pp. 656-664.
H. Chen, et al., "Optimization of electronic structure in graphene-based materials for environmental remediation: A first-principles study," Carbon, vol. 168, 2021, pp. 364-373.

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