锐钛矿相二氧化钛表面及其与水相互作用的理论研究

【摘要】：二氧化钛作为一种重要的多功能材料可以应用于很多领域,如在涂料或化妆品中作为白色颜料、气体传感器、抗腐蚀涂层、反射性光学涂层、其生物相容性对骨骼植入物具有重要的作用等等。尤其是对于我们现在所面临的能源危机和环境污染问题,二氧化钛也能够发挥重要的作用：在紫外光的照射下,它可以作为光电极分解水制取氢气、或者作为光电子传输层应用于染料敏化太阳能电池、能够产生光生电子-空穴对分解有机污染物、还能够产生超亲水效应从而具有自清洁或防雾功能。这些优异的性能使二氧化钛成为金属氧化物的典型代表在过去几十年中得到了深入的研究。本论文的研究工作正是围绕这一应用背景下开展的,旨在为二氧化钛的开发利用提供机理解释和理论支持。 二氧化钛的众多应用都会涉及到它的表面结构和性质,因为绝大多数物理、化学现象都发生表面上,这是决定相关化学反应进行速率的重要因素。另一方面,二氧化钛的应用同时还涉及到了与水的相互作用,比如很多反应是在水溶液或潮湿环境中进行的、或者需要水的参与(如水分解产生氢气、氧气、或者表面羟基等)。因此深入研究二氧化钛的表面性质及其与水的相互作用将对其更广泛的应用起到促进作用。但是由于现有的实验表征手段还很难在原子层次上提供更多的表面信息,使得人们只能基于猜测或假设来解释在实验中发现的一些现象。为了解决这一问题,在本论文中我们采用密度泛函理论计算方法系统详细地研究锐钛矿相Ti02的表面性质、以及这些表面与水的相互作用,并基于理论计算结果对相关的实验现象做出合理的机理解释和分析。围绕这一主题,我们开展了以下几个方面的研究工作： 在第一章中我们将概述本论文的研究背景、研究进展。在此,我们更加强调和突出二氧化钛在能源与环境方面的应用与研究。最后,提出了本论文的研究动机、研究思路和研究内容。 第二章将对锐钛矿相TiO2六个低指数晶面：(101)、(100)、(001)、(103)_f、(103)_s、(110)进行系统地理论计算,重点分析它们的表面性质和电子结构,通过比较不同表面的表面能、能带结构、态密度和功函数等,分析了不同表面与反应活性之间的关系。基于这些结果,可以更清楚地解释锐钛矿相Ti02不同表面在实际反应体系中的选择性、及其在纳米尺度下的物理化学现象。 第三章和第四章将着重讨论水分子与锐钛矿相Ti02(101)表面的相互作用,首先对单分子水的吸附形式进行比较,从相互作用形式、成键方式两方面讨论水在此表面上以分子吸附状态为主要存在形式的原因,并分析水分子的表面扩散行为。然后从单分子吸附开始,逐渐增加水分子的覆盖度,最终达到水与Ti02界面的形成,分析在这一演化过程中水与表面相互作用形式的变化,并得到界面的静态性质(界面结构、界面电子转移、界面电势等)。最后对于界面的动态性质进行分子动力学模拟,分析在室温下界面的结构、空间双电荷层的大小及来源等。 第五章主要分析、比较水分子在锐钛矿相Ti02不同表面吸附行为,并对水分子从分子吸附到解离吸附的分解路径进行了研究,通过对其反应活化能、反应能的分解,得到影响水分子在锐钛矿相Ti02表面上分解的主要因素,并总结了表面结构、性质与反应活性之间的一般规律。 第六章和第七章是对N、V离子单掺杂及共掺杂对锐钛矿相Ti02(101)表面的改性效应进行研究。首先分析掺杂离子在表面的掺杂形式和位置,得到表面改性对锐钛矿相Ti02电子结构(能带结构、态密度、电子密度)的影响,并与体相掺杂进行比较。其次根据杂质形成能的变化,提出了NOVTi-doped TiO2掺杂体系可行的制备工艺路线。最后以水作为探针分子,考查了表面改性对水的吸附和分解反应的影响,并对相关的实验现象进行了解释。 第八章将对本论文研究的主要结论进行总结,并对今后相关的研究提出了展望。