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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：3742次

引言

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)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(qiáng)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(yàn)參數(shù)，直接計算材料的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、擴(kuò)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(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

應(yīng)用領(lǐng)域

環(huán)境污染物的降解機(jī)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(jī)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(diǎn)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(diǎn)[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(diǎn)對污染物分子的高吸附能力和促進(jìn)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?dú)獾姆磻?yīng)機(jī)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(jī)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(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)更緊密地結(jié)合，實(shí)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(jìn)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(jī)制，促進(jìn)了環(huán)境技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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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