吸附能是什么?定义、计算方法及环境/能源/医疗应用详解

吸附能是描述分子或原子在固体表面或界面上吸附时所释放或吸收的能量,是衡量吸附物种与吸附基体之间相互作用强度的重要参数。
吸附能可以是正值或负值,正值表示吸附过程需要吸收能量,即吸附物种与吸附基体之间的相互作用较弱;负值表示吸附过程释放能量,即吸附物种与吸附基体之间的相互作用较强。吸附能的研究不仅在基础科学中具有重要意义,也在材料科学、环境工程、能源技术等多个领域中发挥着关键作用。

吸附能的基本概念与计算方法

吸附能(Adsorption energy)是指分子或原子在吸附到固体表面或界面上时所释放或吸收的能量。它是描述吸附现象的重要参数,用于衡量吸附物种与吸附基体之间的相互作用强度。吸附能可以是正值或负值,具体取决于吸附过程中能量的变化方向。
吸附能的计算方法多种多样,其中密度泛函理论(DFT)是一种常用的计算方法。DFT通过计算分子与表面之间的相互作用,可以预测吸附能的大小。
在研究CO2分子在Vioiarite(FeNi2S4)表面的吸附时,使用了PBE-D2+U和PBE-D3+U等计算方法,得到了不同的吸附能结果,分别为-0.18 eV和0.09 eV。这些计算结果表明,吸附能的大小不仅取决于计算方法,还与分子的结构和表面性质密切相关。
吸附能是什么?定义、计算方法及环境/能源/医疗应用详解

吸附能在不同领域的应用

环境治理中的应用
在环境治理领域,吸附能的研究对于开发高效吸附材料具有重要意义。例如,海南大学的研究团队发现,木质素磺酸钠作为新点电池的正极粘结剂,能够有效抑制活性碘溶解和多碘化物穿梭等问题,从而提高电池的使用寿命。
木质素磺酸钠具有较强的化学吸附能力,能够降低氧化还原电压间隙,加快电荷转移行为,并增强电池的抗自放电性能。此外,MG-RL生物炭复合材料在修复含磷和原油污染水中蓝藻的应用中表现出优异的吸附能力,对磷酸盐的吸附能力为118毫克/克,对TPH的去除率为44.4毫克/克,对藻类的抑制作用为61%到64%。
吸附能是什么?定义、计算方法及环境/能源/医疗应用详解
能源领域的应用
在能源领域,吸附能的研究对于开发新型能源材料具有重要意义。
银碳作为一种特殊的碳单质,具有专一性和高效性,能专一且高效地吸附金元素,其吸附能力是其他活性炭的十倍甚至九倍。
此外,银碳在强磁场下会产生有节律的震动,增强对金的吸附作用。在锂离子电池领域,冠状烯及其衍生物作为阴极材料的研究中,吸附能与分子轨道能级之间的关系被详细分析,为开发高性能电池材料提供了理论支持。
医疗健康领域的应用
在医疗健康领域,吸附能的研究对于开发新型药物和治疗手段具有重要意义。例如,蒙脱石散(思密达)是一种常用的止泻药物,能够吸附消化道内的细菌和病毒,减少抗菌药物的使用,同时避免病毒性腹泻继发细菌感染。
此外,赤石脂作为一种硅酸盐类矿物,具有固涩止血、收敛生肌的功效,主要用于治疗久泻滑脱、便血崩漏和疮疡不敛等症状。现代药理研究显示,赤石脂能吸附消化道内的细菌毒素及异常发酵产物,保护胃肠黏膜,缩短凝血时间和血浆覆盖时间,促进尿磷排泄。

吸附能的实验研究

量子化学计算方法
量子化学计算方法是研究吸附能的重要手段之一。例如,陈昌国等人通过量子化学从头计算(STO 4 31G)研究了甲烷分子与煤表面的相互作用,发现甲烷分子与煤表面的相互作用是各向异性的,最大作用势(吸附势)为2.65 kJ/mol,旋转势垒为1.34 kJ/mol。此外,张群等人采用量子化学计算方法研究了不同变质程度煤结构模型对甲烷的吸附能,发现随着煤基中芳香环数的增加,对甲烷的吸附能随之降低。
表面动力学研究
表面动力学研究是另一种重要的实验方法,用于研究分子在表面的吸附行为。例如,郝东的研究展示了偶氮苯分子在Au(111)表面的吸附能随分子-表面距离的变化关系,表明随着分子-表面距离的增加,吸附能逐渐减小,但不同角度下的吸附能变化趋势有所不同。此外,Alexis Sangnier等人研究了单个CO分子在支持Pt13簇上的吸附能,发现不同计算方法(如PBE、RPBE、RPA等)对吸附能的预测结果存在差异。
吸附能是什么?定义、计算方法及环境/能源/医疗应用详解
【做计算 找华算】
🏅 华算科技提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。
🎯500+博士团队护航,累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果,计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏

声明:如需转载请注明出处(华算科技旗下资讯学习网站-学术资讯),并附有原文链接,谢谢!
(0)
上一篇 2025年8月19日 下午4:55
下一篇 2025年8月19日 下午5:51

相关推荐