外应变与二氧化钛光催化表面物理过程相互作用的理论研究

由于外应变能够有效地改变二氧化钛的能带带隙,同时不会额外引入杂质，人们期望利用外应变提高二氧化钛的光催化性能。实际光催化性能不仅决定于能带带隙,还依赖于表面结构和表面性质；表面应变在改变能带结构的同时，对表面结构和相关物理性质也会产生一定影响。然而目前人们对外应变如何影响二氧化钛表面结构、表面扩散和表面反应过程的物理机制并不十分清楚。由于外应变与表面的相互作用主要决定于表面力学性质，本课题拟系统研究二氧化钛光催化表面物理过程伴随的表面应力的变化。我们将首先研究二氧化钛低指数理想表面的表面应力情况，在此基础上研究表面氧空位缺陷的形成和扩散，以及氧气、氢气、水分子和一些有机分子在表面的吸附、扩散和分解等物理过程伴随的表面应力的变化情况。基于这些信息，我们将利用前期提出的外应变与表面应力相互作用的定量理论，讨论外应变对二氧化钛表面物理过程的影响，全面理解外应变对二氧化钛光催化性能的调控机制。

本项目旨在理解外应变对二氧化钛表面结构、缺陷、物理化学性质等的影响，进而寻找利用外应变提高表面光催化活性的物理途径。 在项目资助下，我们利用第一性原理计算方法，系统地研究了二氧化钛表面的表面能、表面氧空位缺陷的形成和扩散性质、水分子在表面的吸附和分解等性质随着外应变的改变。我们得到了如下一些有意义的结论。（1）预言了TiO2表面氧空位最可能形成的位置随着外应变不同会相应改变，这种变化可以用一个相图很好地表示。氧空位的扩散路径和势垒也可利用外应变进行调控。（2）预言了TiO2锐钛矿晶体的平衡形貌随外应变的改变，并提出了通过外应变增大高活性表面表露面积的调控方式。（3）研究了水分子在不同应变下的吸附和分解性质，提出了调节水分子吸附和分解的应力调控方式。除此之外，我们还研究了其它氧化物表面生长机制、过渡金属表面与有机分子相互作用等性质。本项目的顺利完成有助于人们利用非化学的方法去调控二氧化钛表面的物理化学性质。