水在二氧化钛表面/阶梯边缘吸附的相关问题的理论研究

利用TiO2材料的光催化性质来分解水产氢是当今世界能源研究中一个非常活跃的方向，采用掺杂方法对TiO2材料进行改性以及水在TiO2表面吸附的研究，是人们关注的焦点之一。但目前对水在TiO2表面，特别是阶梯边缘的吸附机理，以及当其他原子掺杂和吸附后水的吸附模式是否发生改变等问题尚不清楚。本项目拟采用密度泛函能带理论计算方法，对TiO2表面/阶梯边缘水吸附的相关问题进行深入、系统的研究，探讨过渡金属在TiO2表面掺杂和吸附前、后水的吸附方式，揭示水在TiO2表面的吸附机理以及过渡金属在其中的作用，为TiO2材料的改性提供理论依据。可以说，本项目是一项既有科学研究价值，又有重要应用前景的课题。

本项目研究了水在TiO2表面以及阶梯边缘吸附机理、过渡金属负载对水吸附的影响，对TiO2材料的改性具有一定的参考意义。首先，对水在表面、<001>阶梯、<1-10>阶梯边缘吸附的研究表明，<1-10>阶梯极大的增强了水的吸附，尤其是促进了水的解离。其原因是<1-10>阶梯边缘存在更低配位数的Ti4c，使得衬底与吸附物之间更容易发生电荷转移，同时对于解离吸附，考虑到羟基未成键的1π轨道的指向，电荷很容易发生在Ti4c与 羟基的1π轨道之间，因此<1-10>表现出比表面和<001>阶梯更强的化学活性，这一发现将有助于更好的理解TiO2纳米材料的性质。其次，对水在M/TiO2(110）表面（M=3d 过渡金属）吸附的研究表明，大部分过渡金属的存在(特别是Mn, Fe, Co)均能增强水的吸附，尤其是促进水的解离。其主要原因是由解离后其独特的几何构型所引起：与表面情况不同，此时的羟基会与两个还原性较强的阳离子（Ti和M）相互作用，大大增强了水与基底的相互作用能，所以其解离吸附模式便非常稳定。