二氧化鈦納米管陣列的改性及其光解水性能的理論研究.pdf

1、利用太陽(yáng)能光催化制氫是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的重要途徑之一,因而光解水制氫引起了人們的極大關(guān)注。二氧化鈦納米管陣列,不僅具有納米二氧化鈦的獨(dú)特電子結(jié)構(gòu),還具有納米孔道的限域效應(yīng),因此,其被認(rèn)為是非常具有應(yīng)用前景的光催化劑。本論文基于密度泛函理論,以二氧化鈦納米管陣列作為理論體系,對(duì)其進(jìn)行了金屬摻雜與沉積,非金屬元素?fù)诫s,及金屬與非金屬共同作用改性,研究了改性后催化劑對(duì)水光解反應(yīng)效率的影響,從理論上探索了一種高效的水分解催化劑。

2、>　　 首先進(jìn)行了非金屬摻雜研究,氮摻雜二氧化鈦納米管陣列的改性研究表明:摻雜的氮在禁帶區(qū)域產(chǎn)生的氮雜質(zhì)態(tài)能級(jí)能夠?qū)⒍趸伡{米管陣列上的光子或電子傳輸?shù)交|(zhì)分子上,并增強(qiáng)水分子的吸附和解離。進(jìn)一步研究了水分子在這種N摻雜體系上氧化反應(yīng)所經(jīng)歷的四個(gè)基元反應(yīng)步驟的活化過(guò)程,熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明:氮摻雜雖不能改變二氧化鈦納米管陣列光催化水分解的過(guò)電勢(shì)。但基于過(guò)渡態(tài)搜索研究和熱化學(xué)性質(zhì)分析,得到水在氮摻雜二氧化鈦納米管陣列上分解的速率控制步驟

3、是吸附的O*與第二個(gè)水分子形成HOO*的過(guò)程。
　　 本文進(jìn)一步考慮用金屬Pt摻雜與沉積,及Pt沉積/N摻雜對(duì)二氧化鈦納米管陣列進(jìn)行改性研究,得到了穩(wěn)定的構(gòu)型。Pt沉積/N摻雜體系的電子結(jié)構(gòu)分析表明:Pt5d與N2p在在費(fèi)米能級(jí)之下接近-1.0eV處形成了較強(qiáng)的成鍵,Ti與N在費(fèi)米能級(jí)之上的空帶形成了較強(qiáng)的反鍵。從熱化學(xué)性質(zhì)角度研究了Pt沉積及Pt沉積/N摻雜對(duì)水氧化過(guò)程的影響,計(jì)算得到的吉布斯自由能結(jié)果表明:與所研究過(guò)的體系(