【摘 要】
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二氧化钛(Titanium dioxide,TiO2)是一种由Ti原子与O原子构成的周其期性半导体材料。因其物理性质稳定、机械强度高、载流子应用寿命长、生物相容性好且对环境无害,在太阳能
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二氧化钛(Titanium dioxide,TiO2)是一种由Ti原子与O原子构成的周其期性半导体材料。因其物理性质稳定、机械强度高、载流子应用寿命长、生物相容性好且对环境无害,在太阳能电池、传感器、光催化等诸多领域具备良好的应用前景。随着对新型能源材料的不断需求,改性TiO2光催化分解甲醇相关研究引起了人们的广泛关注。本文利用第一性原理研究Co原子掺杂对完美、氧空位缺陷锐钛矿TiO2表面电子结构的影响,探讨甲醇分子在其表面吸附和初步解离机制等。具体研究内容包括以下几个部分:(1)运用第一性原理研究甲醇在掺杂Co原子的完美TiO2(101)表面的吸附和解离。计算结果表明,TiO2(101)表面在掺杂Co原子后,甲醇的解离态比分子态吸附更稳定,同时结合过渡态计算得到甲醇解离的能垒最低仅为0.13 eV,明显低于甲醇在完美TiO2(101)面的解离能垒。表明Co原子的掺杂有利于TiO2(101)表面甲醇分子的初步解离。(2)研究Co原子掺杂对缺陷TiO2(101)表面结构及甲醇吸附和解离机制的影响。掺杂Co原子后,TiO2(101)的表面氧空位(Vosur)比亚表面氧空位(Vosub)更稳定,吸附甲醇分子后,Vosub向上迁移,形成更多的Vosur。甲醇在Co原子掺杂的缺陷氧空位TiO2(101)表面的初步解离研究表明,甲醇解离态比分子态吸附更稳定,在5和6配位Co原子掺杂的Vosur-TiO2(101)表面,甲醇分别克服0.52 eV和0.35 eV的能垒,解离的甲氧基迁移到Vosur位置。而在Co6c@VOsub-TiO2(101)表面甲醇O-H断裂过渡态能垒为0.45 eV,表明氧空位缺陷存在可以促进6配位Co体系中甲醇的初步解离。
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