小分子在二氧化鈦和石墨烯表面吸附與反應的第一性原理研究.pdf

1、隨著計算方法的不斷發(fā)展和計算機的飛速發(fā)展，第一性原理計算越來越多的應用到凝聚態(tài)物理、材料、化學等方面。因為水是地球上含量最豐富的化合物之一，而且水分子的影響幾乎可以滲透到所有的領域，進一步理解水分子和固體表面的相互作用機理顯得至關重要，尤其是在很多環(huán)境或能源相關的領域中。其中太陽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能轉化為氫能是解決環(huán)境問題和能源危機最理想的途徑之一，也具有重大的意義和潛在應用。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注的重要問題之一。
　　二氧化鈦由于其無毒性、良好的生物兼容性、化學穩(wěn)定性和自清潔性等優(yōu)點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用。石墨烯因為其比表面積高可以很好地分散金屬納米顆粒、導電性能好可以在催化反應中很好地傳輸電子，因此在光催化領域也得到了廣泛的研究。本文采用第一性原理計算，系統地研究了鈦原子吸附在二氧化鈦(110)面和石墨烯表面對于水分子的活化與分解的影響，闡述了水分子的分解機理及其體系

3、儲氫的可能性;并進一步闡述了氮原子在石墨烯中摻雜在催化反應中所起的作用。我們的研究結果有助于從微觀水平上理解反應機理。
　　第一章，首先介紹了金紅石型二氧化鈦和石墨烯的結構、性質與制備方法，及一些研究進展，主要是水分子在它們表面的吸附與分解的研究進展。
　　第二章，主要介紹了密度泛函理論的一些基礎概念和框架，接下來介紹了常用的計算軟件，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是研究的熱點，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，因此我們主要研究了二氧化鈦表面鈦吸附原子對水分子的吸附與分解的影響。指出了鈦原子的3d電子起著關鍵作用，而且電子的局域性并不會改變反應機理。
　　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構和鈦原子修飾的方式兩大方面研究了對于水分子吸附分解的影響。石墨烯表面的缺陷結構可以很

5、好地穩(wěn)定鈦原子，鈦原子在石墨烯表面的平面團簇構型活性非常高，水分子可以很容易地發(fā)生分解，甚至第二個水分子也可以自由分解。研究結果顯示鈦修飾的石墨烯在分解水產生氫氣方面有巨大的潛在應用前景。然后進一步考察了石墨烯薄膜對于原子氫的穿透性，結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，結合實驗對氮摻雜石墨烯作為鈀催化劑的載體進行了研究。計