鈦酸鈉鉀和TiO2單分子層的第一性原理計(jì)算及制備.pdf

1、近年來(lái),二維材料越來(lái)越受到科研人員的關(guān)注。鈦酸鈉、鉀鹽具有與石墨烯相類似的層狀結(jié)構(gòu),但關(guān)于如何對(duì)其進(jìn)行分離獲得二維材料的研究很少。本文主要對(duì)獲取二維單分子層結(jié)構(gòu)的鈦酸鹽和TiO2的可能性及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究。
　　采用第一性原理計(jì)算了Na2Ti3O7和NaKTi3O7的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、表面能及層間結(jié)合力。通過(guò)電子結(jié)構(gòu)計(jì)算,分析兩者的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度,得出結(jié)論認(rèn)為:(1) Ti原子與層內(nèi)O原子之間的強(qiáng)結(jié)合力是鈦酸鹽層狀

2、結(jié)構(gòu)得以穩(wěn)定存在的主要原因;(2)在NaKTi3O7結(jié)構(gòu)中,Na、K原子與同側(cè)的(Ti3O7)2-層之間的作用力的增強(qiáng),有助于Na、K原子與近鄰的(Ti3O7)2-層結(jié)合并獨(dú)立存在;(3)層間結(jié)合力的計(jì)算顯示,NaKTi3O7的層間結(jié)合力比Na2Ti3O7更小,有助于層狀結(jié)構(gòu)剝離形成單分子層結(jié)構(gòu)。
　　采用平面波超軟贗勢(shì)方法計(jì)算了銳鈦礦相TiO2(101)面的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及納米TiO2超薄層的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上計(jì)算

3、了TiO2(101)面6種表面原子終止結(jié)構(gòu)的體系總能量和表面能,根據(jù)能量最低原理確定了最穩(wěn)定的終止結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,建立不同厚度(0.23～1.56nm)的超薄層模型(其中0.23nm的模型是銳鈦礦相TiO2(101)面的最小結(jié)構(gòu)單元,為T(mén)iO2單分子層),計(jì)算了超薄層厚度對(duì)能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度及介電函數(shù)、吸收系數(shù)、反射率等的影響。結(jié)果表明:隨著薄層結(jié)構(gòu)厚度的增加,電子結(jié)構(gòu)方面,導(dǎo)帶下移且占據(jù)寬度減小,帶隙值逐漸變小;光學(xué)性質(zhì)方面,光吸

4、收峰強(qiáng)度逐漸減小,且吸收邊有一定程度的紅移。
　　以TiO2為前驅(qū)體,NaOH、KOH混合溶液作為礦化劑,填充度為68％,在140℃條件下水熱反應(yīng)24h,合成鈦酸鹽;經(jīng)XRD和TEM分析,初步判斷鈦酸鹽以單分子層形式存在。采用HCL溶液酸化處理鈦酸鹽在常溫條件下獲得鈦酸,而后在不同溫度下加溫處理獲得納米TiO2薄層。產(chǎn)物的光吸收譜顯示,光吸收在紫外區(qū)呈現(xiàn)強(qiáng)吸收,吸收峰位于265nm左右,光學(xué)帶隙約為3.7eV,表明它比體材料具有明