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綜述：第一性原理計算在環境行業中的應用

來源：時間：2024-06-18 16:06:51 瀏覽：2976次

引言

隨著全球對環境保護和可持續發展的關注日益增加，環境行業正在尋求高效的技術和方法來解決污染、廢物處理和能源轉換等問題。第一性原理計算，作為一種基于量子力學的計算方法，為理解和預測材料在環境應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，無需經驗參數，直接計算材料的電子結構、能帶結構、擴散勢壘和反應動力學等性質。這為環境污染物的降解、環境材料的設計和環境風險評估提供了堅實的理論基礎。

應用領域

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。
污染物的光化學轉化路徑 2019年，研究人員應用第一性原理計算模擬了大氣中氮氧化物(NOx)的光化學轉化過程[2]。計算了NOx分子在光照下的激發態能級和電子躍遷路徑，闡明了光化學還原為氮氣的反應機理。
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框架的結合能和吸附構型，為開發高效的重金屬吸附材料提供了理論依據。
環境修復材料的電子結構優化 2021年，研究者使用第一性原理計算優化了石墨烯基材料用于環境修復的電子結構[4]。通過計算摻雜和缺陷工程對石墨烯電子性質的影響，研究揭示了提高污染物吸附和催化降解效率的新材料設計策略。

未來發展趨勢

預計第一性原理計算將與機器學習、大數據分析等技術更緊密地結合，實現更高效的材料篩選和過程優化。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。

結論

第一性原理計算在環境行業的應用為理解和解決環境問題提供了重要的理論支持，通過深入分析環境化學過程的分子機制，促進了環境技術的創新和發展。

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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