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綜述:第一性原理計(jì)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:1994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(jì)算,作為一種基于量子力學(xué)的計(jì)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(jì)算的核心價值

第一性原理計(jì)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(jì)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(jì)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

  1. 環(huán)境污染物的降解機(jī)制 第一性原理計(jì)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(jì)算反應(yīng)的活化能和速率常數(shù),揭示降解機(jī)理。

  2. 環(huán)境催化劑的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 通過計(jì)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(jì)算有助于篩選和設(shè)計(jì)新型高效環(huán)境催化劑。

  3. 環(huán)境材料的光電性質(zhì)預(yù)測 第一性原理計(jì)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)。

  4. 環(huán)境風(fēng)險評估和生態(tài)毒性預(yù)測 第一性原理計(jì)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

  1. 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(jì)算分析了二氧化鈦(TiO2)光催化材料的活性位點(diǎn)[1]。通過計(jì)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。

  2. 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(jì)算模擬了大氣中氮氧化物(NOx)的光化學(xué)轉(zhuǎn)化過程[2]。計(jì)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。

  3. 重金屬吸附材料的篩選 2018年,通過第一性原理計(jì)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(jì)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)。

  4. 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(jì)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(jì)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(jì)策略。

未來發(fā)展趨勢

預(yù)計(jì)第一性原理計(jì)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(jì)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(jì)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)

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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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全部 3小時前 四川
文字是人類用符號記錄表達(dá)信息以傳之久遠(yuǎn)的方式和工具。現(xiàn)代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產(chǎn)生書面文字,很多小語種,有語言但沒有文字。文字的不同體現(xiàn)了國家和民族的書面表達(dá)的方式和思維不同。文字使人類進(jìn)入有歷史記錄的文明社會。
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