小分子在二氧化鈦和石墨烯表面吸附與反應(yīng)的第一性原理研究.pdf

1、隨著計(jì)算方法的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，第一性原理計(jì)算越來(lái)越多的應(yīng)用到凝聚態(tài)物理、材料、化學(xué)等方面。因?yàn)樗堑厍蛏虾孔钬S富的化合物之一，而且水分子的影響幾乎可以滲透到所有的領(lǐng)域，進(jìn)一步理解水分子和固體表面的相互作用機(jī)理顯得至關(guān)重要，尤其是在很多環(huán)境或能源相關(guān)的領(lǐng)域中。其中太陽(yáng)能又是取之不盡的清潔能源之一，利用光催化分解水把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能是解決環(huán)境問題和能源危機(jī)最理想的途徑之一，也具有重大的意義和潛在應(yīng)用。因此水分子在固體催化劑表面

2、的吸附與活化是備受人們關(guān)注的重要問題之一。
　　二氧化鈦由于其無(wú)毒性、良好的生物兼容性、化學(xué)穩(wěn)定性和自清潔性等優(yōu)點(diǎn)在解決能源問題以及環(huán)境污染治理等方面具有廣泛的應(yīng)用。石墨烯因?yàn)槠浔缺砻娣e高可以很好地分散金屬納米顆粒、導(dǎo)電性能好可以在催化反應(yīng)中很好地傳輸電子，因此在光催化領(lǐng)域也得到了廣泛的研究。本文采用第一性原理計(jì)算，系統(tǒng)地研究了鈦原子吸附在二氧化鈦(110)面和石墨烯表面對(duì)于水分子的活化與分解的影響，闡述了水分子的分解機(jī)理及其體系

3、儲(chǔ)氫的可能性;并進(jìn)一步闡述了氮原子在石墨烯中摻雜在催化反應(yīng)中所起的作用。我們的研究結(jié)果有助于從微觀水平上理解反應(yīng)機(jī)理。
　　第一章，首先介紹了金紅石型二氧化鈦和石墨烯的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與制備方法，及一些研究進(jìn)展，主要是水分子在它們表面的吸附與分解的研究進(jìn)展。
　　第二章，主要介紹了密度泛函理論的一些基礎(chǔ)概念和框架，接下來(lái)介紹了常用的計(jì)算軟件，以及文章中我們常用的一些分析方法。
　　第三章，水分子在金紅石型TiO2(110)表

4、面的吸附與分解一直以來(lái)是研究的熱點(diǎn)，但是鈦吸附原子既可以看做是二氧化鈦缺陷的一種，也可以看做是金屬原子的修飾方式，卻很少被研究過(guò)，因此我們主要研究了二氧化鈦表面鈦吸附原子對(duì)水分子的吸附與分解的影響。指出了鈦原子的3d電子起著關(guān)鍵作用，而且電子的局域性并不會(huì)改變反應(yīng)機(jī)理。
　　第四章，接著上一章的研究，我們用鈦原子修飾了石墨烯，從石墨烯本身的缺陷結(jié)構(gòu)和鈦原子修飾的方式兩大方面研究了對(duì)于水分子吸附分解的影響。石墨烯表面的缺陷結(jié)構(gòu)可以很

5、好地穩(wěn)定鈦原子，鈦原子在石墨烯表面的平面團(tuán)簇構(gòu)型活性非常高，水分子可以很容易地發(fā)生分解，甚至第二個(gè)水分子也可以自由分解。研究結(jié)果顯示鈦修飾的石墨烯在分解水產(chǎn)生氫氣方面有巨大的潛在應(yīng)用前景。然后進(jìn)一步考察了石墨烯薄膜對(duì)于原子氫的穿透性，結(jié)果顯示缺陷可以大大地降低氫原子的穿越能壘，而且缺陷的影響并不僅僅局限在缺陷位點(diǎn)本身，而是具有一定的影響范圍，不同的缺陷影響也不同。
　　第五章，結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)氮摻雜石墨烯作為鈀催化劑的載體進(jìn)行了研究。計(jì)