二氧化鈦納米管陣列吸附及催化性能研究.pdf

1、一維二氧化鈦納米管陣列(TNTAs)結(jié)構(gòu)高度定向而緊密堆積，具有比表面積大、吸附強(qiáng)、傳導(dǎo)性高、帶隙可調(diào)和化學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)，在光催化、水分解、傳感和染料敏化太陽能電池等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究無疑意義重大，而迄今對親水性金屬氧化物納米管內(nèi)分子吸附及反應(yīng)的研究缺乏。在我們組前期建立TNTAs模型的工作基礎(chǔ)上，本文采用密度泛函理論研究了TNTAs的穩(wěn)定性、幾何和電子結(jié)構(gòu)、吸附和催化反應(yīng)性能，以期為實(shí)驗(yàn)提供合理的解釋和預(yù)測。

2、r>　　首先，研究了由銳鈦礦(001)納米片形成的納米管陣列的性質(zhì)。結(jié)果表明，(001)TNTAs比單層的(001)納米片更穩(wěn)定，是間接半導(dǎo)體;與體相TiO2類似，價帶和導(dǎo)帶分別主要是由O2p和Ti3d組成。
　　其次，研究了能源和環(huán)境中常見的氣體分子O2、H2、CO、NO、H2O、CO2、NO2、N2O、NH3和CH4在TNTAs中的吸附行為。結(jié)果表明，同種氣體分子與(18，0)TNTAs的相互作用比(12，0)的更強(qiáng)。NH3和

3、H2O的吸附能高于-0.6 eV，是強(qiáng)化學(xué)吸附;而其余氣體則在-0.1-0.3 eV之間，是物理吸附。Mulliken電荷分析表明所有分子是電子供體。態(tài)密度分析表明，僅有O2、NO和NO2的吸附引起TNTAs電子性質(zhì)的顯著改變。
　　最后，進(jìn)一步研究了摻雜改性的TNTAs分解水的電催化性能。結(jié)果表明，Pt沉積(Pt/TNTAs)、N摻雜(N-TNTAs)、Pt沉積N摻雜(Pt/N-TNTAs)和Pt沉積F摻雜(Pt/F-TNTAs

4、)能修飾完美TNTAs(p-TNTAs)的帶隙，而F摻雜(F-TNTAs)修飾作用雖很小，卻促進(jìn)載流子擴(kuò)散。合理的摻雜改性能很好地降低TNTAs分解水的過電勢，尤其是金屬和非金屬共摻雜導(dǎo)致最大的降低值，這歸因于協(xié)同效應(yīng)。過電勢可分成兩組:一組是p-TNTAs、Pt/TNTAs和N-TNTAs的更高過電勢，約1.0V;另一組是F-TNTAs、Pt/N-TNTAs和Pt/F-TNTAs的更低過電勢，約0.6V。此外，中間產(chǎn)物O*和HO*(或