二氧化鈦納米管陣列的改性及其光解水性能的理論研究.pdf

1、利用太陽能光催化制氫是解決能源危機和環(huán)境污染問題的重要途徑之一,因而光解水制氫引起了人們的極大關(guān)注。二氧化鈦納米管陣列,不僅具有納米二氧化鈦的獨特電子結(jié)構(gòu),還具有納米孔道的限域效應,因此,其被認為是非常具有應用前景的光催化劑。本論文基于密度泛函理論,以二氧化鈦納米管陣列作為理論體系,對其進行了金屬摻雜與沉積,非金屬元素摻雜,及金屬與非金屬共同作用改性,研究了改性后催化劑對水光解反應效率的影響,從理論上探索了一種高效的水分解催化劑。

2、>　　 首先進行了非金屬摻雜研究,氮摻雜二氧化鈦納米管陣列的改性研究表明:摻雜的氮在禁帶區(qū)域產(chǎn)生的氮雜質(zhì)態(tài)能級能夠?qū)⒍趸伡{米管陣列上的光子或電子傳輸?shù)交|(zhì)分子上,并增強水分子的吸附和解離。進一步研究了水分子在這種N摻雜體系上氧化反應所經(jīng)歷的四個基元反應步驟的活化過程,熱力學計算結(jié)果表明:氮摻雜雖不能改變二氧化鈦納米管陣列光催化水分解的過電勢。但基于過渡態(tài)搜索研究和熱化學性質(zhì)分析,得到水在氮摻雜二氧化鈦納米管陣列上分解的速率控制步驟

3、是吸附的O*與第二個水分子形成HOO*的過程。
　　 本文進一步考慮用金屬Pt摻雜與沉積,及Pt沉積/N摻雜對二氧化鈦納米管陣列進行改性研究,得到了穩(wěn)定的構(gòu)型。Pt沉積/N摻雜體系的電子結(jié)構(gòu)分析表明:Pt5d與N2p在在費米能級之下接近-1.0eV處形成了較強的成鍵,Ti與N在費米能級之上的空帶形成了較強的反鍵。從熱化學性質(zhì)角度研究了Pt沉積及Pt沉積/N摻雜對水氧化過程的影響,計算得到的吉布斯自由能結(jié)果表明:與所研究過的體系(