锐钛矿二氧化钛纳米管及其表面水分子吸附的DFT研究

摘要

半导体材料的光催化技术在利用太阳能解决能源问题以及环境污染治理等方面具有广泛的应用前景。在众多的半导体光催化材料中,二氧化钛具有无毒性、良好的生物兼容性和化学稳定性,并且在光照下表现出强氧化性、自清洁性等优秀特性,引起人们的特别关注。
　　 20世纪以来,纳米技术得到了很大的发展。与其它纳米材料相比,二氧化钛纳米管具有更大的比表面积,提供了更多的氧吸附位,使其具有更高的吸附性能和反应活性。管壁的弯曲产生曲率效应,从而改变纳米材料的电子结构和力学性能,还能使纳米管的吸附具有选择性。近几十年来,研究者们一直致力于探索二氧化钛纳米管的各种制备方法和改性技术,以期提高二氧化钛的光催化效率和对太阳光的利用率。但是,鉴于目前表征手段的限制,二氧化钛纳米管的结构仍不清楚,其化学组成也还存在争议。因此很有必要借助理论模拟方法对其结构与性能进行深入研究。本文采用密度泛函理论计算对不同手性和管壁厚度的二氧化钛纳米管的结构进行了探讨,在此基础上,对H2O分子在纳米管上的吸附进行了研究,研究结果将有助于增加人们对二氧化钛纳米管结构与性能的认识,并对其未来的应用研究奠定一定的理论基础。
　　 本论文一共分为五章。第一章简单回顾了自碳纳米管发现以来无机纳米管的研究进展,其中重点介绍了二氧化钛纳米管的研究现状,包括实验和理论工作的进展。第二章简要介绍了密度泛函理论(DFT)的理论框架和本论文中使用的基于DFT的计算工具。第三章使用DFTB方法模拟了不同手性的锐钛矿(101)纳米管,并探讨了管径和手性对纳米管稳定性和电子性质的影响:随着纳米管半径的增大,纳米管的稳定性上升;随着纳米管手性的变化,应变能先增大后减小。第四章对不同管壁厚度的(n,0)和(0,m)锐钛矿(001)纳米管进行了DFTB计算,提出水热合成法制得的纳米管的一种结构模型。第五章使用PBE方法计算并描述了H2O分子在锐钛矿(101)纳米管内壁和外壁进行分子吸附和解离吸附的情况,结果显示在锐钛矿(101)纳米管上H2O分子的分子吸附形式更有优势,管径对解离吸附有一定影响,而对分子吸附影响不大。