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                當(dāng)前位置：文庫(kù)百科 ? 文章詳情
                
    
                
        
                

            
                
                
                
                    
                綜述：第一性原理計(jì)算在環(huán)境行業(yè)中的應(yīng)用
                
                    
                
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                        時(shí)間：2024-06-18 16:06:51
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                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(lái)解決污染、廢物處理和能源轉(zhuǎn)換等問(wèn)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(cè)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(jià)值
                 第一性原理計(jì)算能夠從最基本的物理定律出發(fā)，無(wú)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(shì)壘和反應(yīng)動(dòng)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(xiǎn)評(píng)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(guò)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(cè) 第一性原理計(jì)算預(yù)測(cè)材料的能帶結(jié)構(gòu)和電子遷移率，為開(kāi)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(xiǎn)評(píng)估和生態(tài)毒性預(yù)測(cè) 第一性原理計(jì)算評(píng)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(xiǎn)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(shí)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(guò)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(duì)污染物分子的高吸附能力和促進(jìn)電子-空穴對(duì)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(guò)程[2]。計(jì)算了NOx分子在光照下的激發(fā)態(tài)能級(jí)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(guò)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(duì)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(kāi)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(guò)計(jì)算摻雜和缺陷工程對(duì)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)
                 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(guò)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(wèn)題提供了重要的理論支持，通過(guò)深入分析環(huán)境化學(xué)過(guò)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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                評(píng)論 / 文明上網(wǎng)理性發(fā)言
                
                        
                12條評(píng)論
                
                    
                
                    
                    
                
                        
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                                3小時(shí)前
                                四川
                            
                
                            
                
                                文字是人類用符號(hào)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(yǔ)言的工具。人類往往先有口頭的語(yǔ)言后產(chǎn)生書(shū)面文字，很多小語(yǔ)種，有語(yǔ)言但沒(méi)有文字。文字的不同體現(xiàn)了國(guó)家和民族的書(shū)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(huì)。
                            
                
                            
                
                                
                
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                【科研干貨】電化學(xué)表征：循環(huán)伏安法詳解（下）
                

                        
                
                            
                            
                電化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之電化學(xué)工作站篇 （二）三電極和兩電極體系的搭建 和測(cè)試
                

                        
                

                
                
            
                
        
                
    
                
    
                
        
                
            
                
        
                
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                你好，很高興為您服務(wù)！
                
                
            
                
        
                
    
                

    
    
                
        
        
                
            
                
            
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