环境与能源学院

我院“生态环境与资源效率研究实验室”冀豪栋课题组在环境量子化学应用领域取得系列研究进展

发布日期:
2022-12-18 02:01:24      
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2022年11月-12月,北京大学深圳研究生院 “生态环境与资源效率研究实验室” 冀豪栋研究员和美国加州大学圣克鲁兹分校Shaowei Chen教授、首都师范大学王强教授以及暨南大学朱明山教授合作在环境量子化学应用领域取得系列研究进展,相关成果发表于环境工程和催化领域旗舰期刊Small (IF=15.153) 、Applied Catalysis B: Environmental (IF=24.319)ACS ES&T Engineering上,冀豪栋课题组负责相关工作中的量子化学计算以及深入机理解释部分。

 

理论计算的环境应用是目前新的研究前沿和热点。近年来,在理论计算中,如密度泛函理论(DFT)、第一性原理(First-Principles)和分子动力学等方法的快速发展,大大推进了其应用领域和前景。冀豪栋课题组近年来一直从事环境量子化学的应用研究,从有机污染物活性位点精准预测、污染物降解过程解析、电子结构解析到界面反应过程评估,针对非周期性小体系和周期性体系进行了深入研究,已经发表了系列研究成果,并在前期成果的基础上构建了大数据库,课题组官网:https://web.pkusz.edu.cn/jihaodong

借助上述方法,冀豪栋课题组和美国加州大学圣克鲁兹分校Shaowei Chen教授、首都师范大学王强教授等国内外科研单位进行探索,研究不同光催化剂在人工固氮过程中界面反应机制,通过构建周期性体系模型,从分子轨道角度深入解析固氮机理:1)选择具有铁电特性的层状铋基铁电材料SrBi4Ti4O15作为光催化固氮材料,以 “High-Performance Photocatalytic Reduction of Nitrogen to Ammonia Driven by Oxygen Vacancy and Ferroelectric Polarization Field of SrBi4Ti4O15 Nanosheets” 为题发表在Small (https://doi.org/10.1002/smll.202206114) 如图1,通过理论计算从分子轨道层次证明了氧空位对铁电材料SrBi4Ti4O15的自极化和内部电场的显著增强作用(图2);

 

图1. 氧空位和铁电极化场协同增强界面电子转移过程的示意图。

  

图2. 氧空位对铁电材料SrBi4Ti4O15的自极化和内部电场的显著增强作用计算结果。

2)超小纳米颗粒材料Bi2Sn2O7作为光催化固氮材料(图3),以 “High-performance nitrogen photofixation by Bi2Sn2O7 nanoparticles enriched with oxygen vacancies” 为题发表在Applied Catalysis B: Environmental 2023, 324: 122260 (https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122260) 如图2,为了深入了解固氮机制,通过原位傅立叶变换红外实验和理论计算,得到氮还原过程中中间物种的吉布斯自由能,以评估氧空位周围配体环境对N2活化的影响,然后通过计算分波态密度(PDOS)研究了*N2分子在BSO-UNPs表面的质子化过程(图4)。上述工作突出了缺陷工程在开发高性能、低成本的人工固氮光催化剂方面的意义。

                           

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图4. Bi2Sn2O7氧空位周围配体环境对N2活化的理论计算结果。

此外,在非周期性小体系精准预测方面,冀豪栋课题组和暨南大学朱明山教授合作,深入研究新污染物——含氟液晶单体的降解机制,以 “Role of Substituents in Fluorinated Liquid Crystal Monomers Emerging Pollutants Removal under UV/Peroxydisulfate Treatment” 为题发表在ACS ES&T Engineering (https://doi.org/10.1021/acsestengg.2c00373)上冀豪栋课题组通过前线轨道理论和密度泛函理论计算新污染物活性位点(5)为后续污染物降解机制深入解释提供理论依据;并通过理论生态毒性评价,对新污染物降解过程中毒性水平进行动态监测(图6).

图5. 含氟液晶单体的精准活性位点预测示意图。

图6. 污染物降解产物理论生态毒性评估

“生态环境与资源效率研究实验室”冀豪栋研究员/Tenure-track助理教授/博士生导师为上述系列论文的共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金(项目编号:52100069)和深圳市基础研究面上(JCYJ20220531093205013)等项目支持。