【摘 要】
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二氧化钛（TiO2）具有具有特殊的电子结构,且化学稳定性好、无毒、价格低廉,是应用最广泛的半导体材料之一,在光电反应催化领域具有广泛应用。当TiO2表面吸收特定频率（由带隙决定）的光时,TiO2导带中的电子被激发到价带,形成电子-空穴对。电子-空穴对分离产生的电子和空穴可分别将吸附的分子还原和氧化。提高光的利用效率产生更多的光载流子是设计性能优良的二氧化钛半导体材料的关键,通过缺陷工程、离子掺杂和
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二氧化钛（TiO2）具有具有特殊的电子结构,且化学稳定性好、无毒、价格低廉,是应用最广泛的半导体材料之一,在光电反应催化领域具有广泛应用。当TiO2表面吸收特定频率（由带隙决定）的光时,TiO2导带中的电子被激发到价带,形成电子-空穴对。电子-空穴对分离产生的电子和空穴可分别将吸附的分子还原和氧化。提高光的利用效率产生更多的光载流子是设计性能优良的二氧化钛半导体材料的关键,通过缺陷工程、离子掺杂和表面改性改变TiO2表面的电子结构是实现这一目标的有效途径。当TiO2应用在水性环境中时,水分子很容易吸附在TiO2的活性表面上形成羟基。表面羟基的性质及其对TiO2表面电子结构的影响对于理解表面催化反应过程至关重要。二氧化钛基材料上光催化裂解水是产生清洁及可持续能源的有效途径,且二氧化钛基光催化水裂解主要发生析氢反应和析氧反应。一方面,表面羟基可以影响电子-空穴对向表面的迁移路径,提高光的利用效率。另一方面,羟基也可以成为催化反应的活性位点,也可以与空穴结合生成羟基自由基,直接参与反应。不同类型的TiO2晶体的不同表面对H2O和H2的分裂具有不同的催化作用,形成的羟基化二氧化钛（TiO2）的电子结构差异很大。在第一章综述了二氧化钛基材料的研究进展以及第二章介绍了理论计算研究方法的最新进展的基础上,第三章我们在金红石和锐钛矿这两种最为常见的TiO2晶体的4种低指数表面[（001）、（100）、（101）、（110）]上分别引入两种不同类型的羟基。共设计了十六种不同的羟基化表面,系统研究了其几何结构和态密度、电荷分布等电子结构。研究结果表明,R-101、R-001、A-110、A-100和A-001表面的电子结构比其他表面受羟基化影响更显着,并且OH2的影响大于OH1的影响。本章的工作可为实验研究人员设计具有可调电子结构的表面羟基化二氧化钛材料提供理论指导。在得到羟基化二氧化钛表面电子结构变化的规律后,在第四章中我们选取了锐钛矿型常见的（101）（001）表面和金红石型（110）表面,使用第一性原理的方法计算了析氢反应和析氧反应过程中中间体的吉布斯自由能。对于析氢反应过程,通过对含羟基TiO2表面催化析氢反应性能的筛选,发现催化析氢反应最合适的位点位于锐钛矿（101）表面的双配位氧上,ΔG（*H）=-0.12 e V。对于析氧反应过程,通过对自由能的数据分析显示,除A-101-OH2表面倾向于驱动2e-过程在表面产生H2O2外,A-101-OH1、A-001-OH1/OH2和R-110-OH1/OH2表面的析氧反应过程都是趋向于通过4e-过程在表面产生氧气。本章工作将为科研工作者理解羟基改性后的TiO2表面的析氢反应和析氧反应过程并设计出更优秀的改性TiO2催化剂提供指导。
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