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二氧化钛纳米管阵列的改性及其光解水性能的理论研究

谢琴  
【摘要】:利用太阳能光催化制氢是解决能源危机和环境污染问题的重要途径之一,因而光解水制氢引起了人们的极大关注。二氧化钛纳米管阵列,不仅具有纳米二氧化钛的独特电子结构,还具有纳米孔道的限域效应,因此,其被认为是非常具有应用前景的光催化剂。本论文基于密度泛函理论,以二氧化钛纳米管阵列作为理论体系,对其进行了金属掺杂与沉积,非金属元素掺杂,及金属与非金属共同作用改性,研究了改性后催化剂对水光解反应效率的影响,从理论上探索了一种高效的水分解催化剂。 首先进行了非金属掺杂研究,氮掺杂二氧化钛纳米管阵列的改性研究表明:掺杂的氮在禁带区域产生的氮杂质态能级能够将二氧化钛纳米管阵列上的光子或电子传输到基质分子上,并增强水分子的吸附和解离。进一步研究了水分子在这种N掺杂体系上氧化反应所经历的四个基元反应步骤的活化过程,热力学计算结果表明:氮掺杂虽不能改变二氧化钛纳米管阵列光催化水分解的过电势。但基于过渡态搜索研究和热化学性质分析,得到水在氮掺杂二氧化钛纳米管阵列上分解的速率控制步骤是吸附的O*与第二个水分子形成HOO*的过程。 本文进一步考虑用金属Pt掺杂与沉积,及Pt沉积/N掺杂对二氧化钛纳米管阵列进行改性研究,得到了稳定的构型。Pt沉积/N掺杂体系的电子结构分析表明:Pt5d与N2p在在费米能级之下接近–1.0eV处形成了较强的成键,Ti与N在费米能级之上的空带形成了较强的反键。从热化学性质角度研究了Pt沉积及Pt沉积/N掺杂对水氧化过程的影响,计算得到的吉布斯自由能结果表明:与所研究过的体系(完美阵列1.13V,N掺杂阵列1.03V,Pt沉积阵列1.09V)相比,Pt沉积N掺杂阵列上进行水氧化反应的过电势(0.60V)最低,使反应变得更容易发生,这归因于金属Pt和非金属N之间的协同作用。这些研究结果不仅与实验报道是一致的,同时也为探索光解水催化剂提供了一种思路。


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