纳米级金红石相二氧化钛晶胞数原子数和晶面原子数的计算与研究永
纳米级高岭石晶胞数_原子数和晶面原子数的计算与研究
第22卷 第3期2003年9月 岩 石 矿 物 学 杂 志ACTA PETROLO GICA ET MIN ERALO GICAVol.22,No.3 Sep.,2003文章编号:10006524(2003)03029304纳米级高岭石晶胞数、原子数和晶面原子数的计算与研究韩 炜,陈敬中(中国地质大学材料科学与化学工程学院,湖北武汉 430074)摘 要:以矿物晶体结构、晶体化学理论为基础,通过对纳米级高岭石颗粒的晶胞数、原子数以及平行(001)面的表面原子数的计算,讨论了它们与纳米级高岭石颗粒尺度大小的相关规律,并结合纳米微粒的特性对其进行了简要分析。
关键词:高岭土;高岭石;纳米;晶胞;原子中图分类号:P578.964;P573 文献标识码:AThe calculation of crystal cell,atomicity and crystal planeatomicity of nano-kaoliniteHAN Wei and CHEN Jing-zhong(Faculty of Material Science and Chemical Engineering,China University of G eosciences,Wuhan430074,China)Abstract:Based on crystal structure and crystal chemistry theory,this paper puts forward the minimum dimension of the nano-kaolin2 ite corpuscle.Through calculating the crystal cell number,atomicity and the external atomicity on the(001)crystal plane of kaolinite grains of different,the paper also describes their characteristics,and analyzes their relationship with the specificities of the nano-kaolinite corpuscle.K ey w ords:kaolin;kaolinite;nanometer;crystal cell;atom 随着纳米科技的发展,纳米物质所表现出来的一些新异特性深深地吸引了人们,如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等。
二氧化钛晶胞结构
二氧化钛晶胞结构引言二氧化钛（TiO2）是一种重要的半导体材料，具有广泛的应用领域，如光催化、光电子学、能源转换等。
了解二氧化钛的晶胞结构对于深入研究其性质和应用具有重要意义。
本文将介绍二氧化钛晶胞结构的相关内容。
一、晶体结构二氧化钛的晶体结构属于四方晶系，空间群为P42/mnm。
其晶胞结构由氧原子和钛原子组成。
在晶胞中，每个钛原子周围有六个氧原子，每个氧原子周围有三个钛原子。
晶胞中的钛原子和氧原子按照一定的排列方式构成晶格。
二、晶胞参数二氧化钛晶胞的参数如下：a =b = 4.593 Åc = 2.959 Åα = β = γ = 90°其中，a和b表示晶胞在x轴和y轴方向的长度，c表示晶胞在z轴方向的长度，α、β和γ表示晶胞的三个夹角。
三、晶格常数晶格常数是描述晶体结构的重要参数，对于二氧化钛晶胞来说，其晶格常数可以通过实验测量得到。
二氧化钛的晶格常数为：a =b = 4.593 Åc = 2.959 Å晶格常数的大小与晶体的物理性质密切相关，可以通过改变晶格常数来调控二氧化钛的电子结构和光学性能。
四、晶胞中的原子排列二氧化钛晶胞中的钛原子和氧原子按照一定的方式排列。
在晶胞中，钛原子位于八面体的中心，八面体的顶点分别与六个氧原子相连。
每个氧原子周围有三个钛原子，形成了一种特殊的氧八面体结构。
五、晶体的光学性质二氧化钛是一种具有良好光学性质的半导体材料。
它的带隙宽度为3.2 eV，使得它具有较高的光吸收能力和光催化活性。
二氧化钛晶胞的结构对其光学性质有重要影响。
六、应用领域二氧化钛由于其特殊的晶胞结构和优良的光学性质，在许多领域得到了广泛的应用。
例如，二氧化钛被用作光催化剂，可以通过光催化反应分解有机物和净化废水。
此外，二氧化钛还可以用于太阳能电池、染料敏化太阳能电池、气敏传感器等领域。
七、总结本文介绍了二氧化钛晶胞结构的相关内容，包括晶体结构、晶胞参数、晶格常数、晶胞中的原子排列以及晶体的光学性质等。
纳米级金红石相二氧化钛晶胞数原子数和晶面原子数的计算与研究
纳米级金红石相二氧化钛晶胞数原子数和晶面原子数的计算与
研究
张青龙;沈毅;李真;吴国友
【期刊名称】《陶瓷科学与艺术》
【年(卷),期】2005(039)004
【摘要】以矿物晶体结构、晶体化学理论为基础,通过对纳米级金红石相二氧化钛颗粒的晶胞数、原子数及平行(001)面的表面原子数的计算,讨论了它们与纳米级金红石二氧化钛颗粒尺度大小的相关规律,并结合纳米微粒的特性对其进行了简要分析.
【总页数】5页(P9-13)
【作者】张青龙;沈毅;李真;吴国友
【作者单位】中国地质大学材料科学与化学工程学院,武汉,430074;中国地质大学材料科学与化学工程学院,武汉,430074;中国地质大学材料科学与化学工程学院,武汉,430074;中国地质大学材料科学与化学工程学院,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TQ17
【相关文献】
1.面心立方晶格构成的材料其表面与体内原子数之比的一种计算 [J], 李广;吴明在;王磊
2.纳米级堇青石晶胞参数、原子数和晶面原子数计算与研究 [J], 朱华
3.纳米级高岭石晶胞数、原子数和晶面原子数的计算与研究 [J], 韩炜;陈敬中
4.气—固气应实验装置中填隙原子数的计算及程序 [J], 吴明;祁守仁
5.金属的三种常见的晶体结构及其晶胞原子数的研讨 [J], 李杨
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
纳米TiO2粉体晶相组成定量分析计算方法
公式 的正确性 ， 计算值与该公式 的实验值一致 。
１ ＴＣ２ ｉ 的晶体结构
ＴＣ 通 常具 有 ３种 主要 晶 型［ ： 红 石 型 ｉ２ ］金 ， （ ｕｌ 、 Ｒ ｔ ） 锐钛矿 型 （ ｎｔ ｅ 和板 钛矿 型 （ ｒ ｋｅ ｉ ｅ Ａ ａ ｓ） ａ Ｂｏ ｉ ） ｏｔ （ 其他晶型 Ｔ ２ ｉ 也有存在 ， Ｃ 比如高压条件下可 以制 得氯铅矿型 Ｔ ２ ］。但一般条件下 ， ｉ Ｅ） Ｃ 制备出的纳米
周志强， 吴 泽， 闫爱华， 毛 建， 张显友
（ 哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院 ． 黑龙江 哈尔滨 １０４ ５００）
摘
要 ： 过理论 计算 ， 出了纳米 Ｔ０ 混 晶中金红 石相和锐钛矿 相相 对含量 的计 算公 式 ， 文献 中 通 给 ｉ ２ 与
实验方法得 出的计算公式吻合 ， 论计算和实验结果得 以很好 的相互验证 。 理
Ａｂ ｔａ ｔ Ａ ｆｒ ｌ ｒｒｌｔ ｅ ｃ ｎｅ ｔ ｆ ｕ ｉ ｎ ｎ ｔ ｅ ｉ ａ ｏ ｉ ｄＴｉ ｏ ｄ ｒｉ ｐ ｔ ｏ ｗ ｒ ｙｔ ｅ ｒｔ ａ ｓｒ ｃ ： ｏｍｕａ ｆ ａｉ ｏ ｔｎ ｔ ｅ ａ ｄ ａ ａａ ｎ ｎ ｎ ｓ ｅ ０２ ｗ ｅ ｕ ｒ ａ ｄ ｂ ｈ ｏ ｅｉ ｌ ｏ ｅ ｖ ｏｒ ｌ ｓ ｚ ｐ ｓ ｆ ｃ ｍｅｈ ｄ ｈ ｃ ｅｌ ｎ ａ ｃ ｒ ａ ｃ ｉ ｏ ｅ ｘ ｅ ｉ ｎａ ｒ ｓ ｔ ｎ ｄ ｇ ｔ ｆ ｅ ｍｕｕ ｌｖ ｒ ｅ ｔ ｎ ｔｏ 。ｗ ｉｈ ｉ ｗ ｌ ｉ ｃ ｏ ｄ ｎ ｅ ｗ ｔ ｆｒ ｒｅ ｐ ｒ ｓ ｈ ｍ ｍｅ ｔｌ ｅ ｕ ．ａ ｅｓ ｉ ｔａ ｅ ｆ ａｉ ． ｌ ｎ ｌ ｑ ｏ
Ｚ Ｈ ｈ —ｑ ａ ｇ Ｗ Ｕ Ｚ ， Ａ Ａｉ ｕ ， ＨＯ Ｚ ｉ ｉｎ ， ｅ Ｙ Ｎ —ｈ ａ ＭＡＣ Ｊａ ， Ｈ ｉｎ Ｚ ＡＮＧ Ｘｉ ａ ｎ—ｙ ｕ ｏ
光学气敏材料金红石相二氧化钛(110)面吸附CO分子的微观特性机理研究
光学气敏材料金红石相二氧化钛(110)面吸附CO 分子的微观特性机理研究∗朱洪强冯庆†(重庆市光电功能材料重点实验室,重庆401331)(重庆师范大学光学工程重点实验室,重庆400047)(2014年2月18日收到;2013年3月17日收到修改稿)利用光学气敏材料吸附气体,引起材料光学性质的变化来测量气体成分,是当前气敏传感研究领域的一个热点方向.本文针对光学气敏材料金红石相TiO2(110)表面吸附CO分子的微观特性进行研究,采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了表面的吸附能、电子态密度、光学性质和电荷密度的变化.结果表明:终止于二配位O原子的TiO2(110)面为最稳定表面,该表面吸附CO分子以C端吸附方式最为稳定,且氧空位浓度越高,越有助于对CO分子的吸附,吸附过程为放热.在氧空位浓度为33%时,吸附能达到1.319eV,吸附后结构趋于更加稳定.表面吸附CO分子后,其实质是表面的氧空位氧化了CO分子,CO分子的电荷向材料表面转移.含有氧空位的表面吸附CO分子后都改善了其在可见光范围内的光学性质,但是氧空位浓度越高,改善其光吸收和反射能力越明显,光学气敏传感特性表现越显著.关键词:光学气敏材料,金红石,CO,密度泛函理论PACS:31.15.A–,71.15.Dx,71.15.Mb,71.15.–m DOI:10.7498/aps.63.1331011引言CO是在燃料燃烧时伴随产生的有毒性气体,少量吸入后就会导致人员伤亡.监测环境中的CO气体通常会用到气敏传感器.目前,电阻气敏传感器运用较为成熟,如SnO2,ZnO等.但电阻气敏传感器远不及光学气敏传感器的灵敏度高,且响应时间也较长.所谓光学气敏传感器,就是利用光学气敏材料吸附气体,引起材料光学性质的改变来检测气体成分及浓度的传感器.因此,对光学气敏材料的研究,成为气体传感器方面新的研究方向和热点领域.金红石相TiO2n型过渡金属氧化物半导体材料(3.0eV[1]).自1972年Fujishi-ma和Honda发现了光照金红石相TiO2电极能分解水后[2],人们对TiO2光催化分解水制氢气[3]、空气环境净化[4,5]、废水处理[6]、光催化[7]以及太阳能电池[8]等领域进行了广泛研究,同时还发现TiO2是良好的光学气敏传感材料,表面结构与材料性能有着紧密联系[9−12].因此,研究金红石相TiO2表面吸附气体引起光学性质的改变,作为检测气体的重要指标,有着极其重要的意义.崔文颖和Simon等人[13,14]运用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算优化了金红石TiO2 (110),(001),(101)晶面的几何结构,发现金红石型TiO2(110)晶面为最稳定的吸附面.肖冰等人[15]计算了金红石相TiO2(110)表面性质及STM形态模拟,发现(110)表面的STM形貌凸起部分来自Ti原子,表面存在较多氧空位.CO[16]只在有氧空位的金红石相TiO2(110)表面才会被氧化. Dan[17]和汪洋[18,19]等人也发现CO和NO容易在有缺陷的金红石相TiO2(110)表面吸附,且NO气∗国家自然科学基金(批准号:61274128,61106129)和重庆市自然科学基金(批准号:CSTC2013JCYJA0731)资助的课题.†通讯作者.E-mail:fengq_126@©2014中国物理学会Chinese Physical Society 体在TiO 2(110)面吸附后均以N 2形式脱附.而Linsebigler 等人[20,21]研究了CO 在金红石相TiO 2(110)面吸附,并通过实验和计算得到吸附能大概值.然而,目前对于金红石相TiO 2(110)面吸附CO 分子引起的表面光学性质变化的研究还较少,相应的吸附微观机理的解释还比较缺乏.因此,本文采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,运用CASTEP 软件包模拟计算了光学气敏材料金红石相TiO 2(110)表面吸附CO 分子的情况,对其几何结构、态密度、光学性质、电荷分布等进行分析,为金红石相TiO 2作为光学气敏材料投入实验研究提供理论数据.2模型构建与计算方法金红石相TiO 2属于四方晶系结构,其空间群为P 42/MNM .Burnside 和Labat 等人计算了金红石相TiO 2(110),(100),(001)表面的相对能量,发现金红石相TiO 2(110)相对能量最低[22,23],但表面终止原子不同,稳定性也有所差异.四种表面原子终止结构如图1所示,以A 面能量为基准零点,B,C 和D 面能量相对值为E B =−19.65eV,E C =−32.56eV,E D =−19.76eV,说明终止于二配位O 2c 原子的TiO 2(110)面为最稳定表面(C 面).BADC图1金红石相TiO 2(110)表面不同表面原子终止结构[010][001]100]O 2C (O a )Ti(Ti 6c )Ti(Ti )(a)(b)图2金红石相TiO 2(110)表面优化前后原子结构(a)优化前表面原子结构(b)优化后表面原子结构本文研究采用2×2×3的金红石相TiO 2超晶胞,共9层原子来模拟表面,如图2(a).在Z 方向上建立了10Å的真空层,可忽略其相互作用的影响.优化后,表面原子弛豫,未出现重构,最表层原子仍是二配位的O 2c ,如图2(b)所示.分别建立完整表面、含一个氧空位和含两个氧空位缺陷的金红石相TiO 2(110)表面,其氧空位浓度分别为0%,16.7%和33.3%,CO 分子距离表面初始距离均为0.1665nm,如图3(a),(b),(c),图4(a),(b),(c),图5(a),(b),(c)所示.C O0.1665C O0.3218CO 0.1665CO 0.4336CO 0.1665CO 0.2810(a)(b)(c)(a')(b')(c')图3CO 吸附于完整金红石相TiO 2(110)表面优化前后的原子结构(a)优化前CO 分子O 端垂直吸附;(b)优化前CO 分子C 端吸附;(c)优化前CO 分子水平放置吸附;(a ′)优化后CO 分子O 端垂直吸附;(b ′)优化后CO 分子C 端吸附;(c ′)优化后CO 分子水平放置吸附O C0.1665CO0.166550.0520O CCO0.14760.1665C O0.1427C O(a)(b)(c)(a')(b')(c')图4CO 吸附于一个O 空位缺陷的金红石相TiO 2(110)表面优化前后的原子结构(a)优化前CO 分子O 端垂直吸附;(b)优化前CO 分子C 端吸附;(c)优化前CO 分子水平放置吸附;(a ′)优化后CO 分子O 端垂直吸附;(b ′)优化后CO 分子C 端吸附;(c ′)优化后CO 分子水平放置吸附CO 0.1665C O0.1665C CO 0.0268C O0.1529C0.1665O 0.0484O C(a)(b)(c)(a')(b')(c')图5CO 吸附于两个O 空位缺陷的金红石相TiO 2(110)表面优化前后的原子结构(a)优化前CO 分子O 端垂直吸附;(b)优化前CO 分子C 端吸附;(c)优化前CO 分子水平放置吸附;(a ′)优化后CO 分子O 端垂直吸附;(b ′)优化后CO 分子C 端吸附;(c ′)优化后CO 分子水平放置吸附3结果与讨论3.1吸附微观模型CO分子以O端向下、C端向下和水平放置吸附于完整金红石相TiO2(110)表面的二配位的O2c (O a)顶位,优化后如图3(a′),(b′),(c′)所示.CO分子以不同方式放置吸附于含一个O空位缺陷和含两个O空位缺陷的TiO2(110)表面,优化后分别如图4(a′),(b′),(c′)和图5(a′),(b′),(c′)所示.将三种模型吸附前后的距离归纳于表1,可以发现以下特点:第一,在完整金红石相TiO2(110)表面,不论哪种放置方式,CO分子与表面的距离都出现了增加,说明CO不容易被完整金红石相TiO2(110)表面吸附,有远离表面的趋势.第二,在有氧空位的金红石相TiO2(110)表面,能量优化后,CO分子与表面的距离都出现的缩短,说明在有氧空位的条件下,CO会被TiO2(110)表面吸附.表1CO分子以不同方式放置吸附于金红石相TiO2(110)表面吸附前后距离吸附方式完整金红石表面一个O空位表面两个O空位表面O端吸附吸附前距离/nm0.16650.16650.1665吸附后距离/nm0.32180.14270.1529C端吸附吸附前距离/nm0.16650.16650.1665吸附后距离/nm0.43360.05200.0268水平吸附吸附前距离/nm0.16650.16650.1665吸附后距离/nm0.28100.14760.0484第三,氧空位浓度越大,最终分子与表面距离越短,说明增大氧空位浓度有助于表面对分子的吸附.第四,在有氧空位的表面稳定吸附CO后,C 端吸附距离表面的距离最短,说明其吸附效果优于水平吸附和O端吸附.3.2吸附能CO分子吸附于TiO2(110)表面的吸附能可定义[24]为E ads=(E substrate+E CO)−E(CO+substrate),式中E ads为表面吸附能.E substrate为含有O空位表面晶胞总能量,E CO为吸附前CO分子的能量, E(CO+substrate)为表面吸附CO后整个体系的总能量.本文分别计算了CO分子吸附于完整金红石相TiO2(110)表面、含一个O空位和含两个O空位缺陷表面的吸附能,如表2所示.吸附能为正值说明吸附过程放热,吸附后的结构将趋于更加稳定;反之,吸附能为负值说明吸附过程吸热,吸附后的结构不稳定,吸附不容易实现.从表2中可以看出,CO分子吸附于完整金红石相TiO2(110)表面吸附能均不大于0.2eV,说明吸附不容易实现.当表面出现一个O空位缺陷和两个O空位缺陷时,C端吸附的吸附能分别为0.758 eV和1.319eV,均远远大于水平吸附和O端吸附的吸附能.从吸附能的分析发现:在含有氧空位的表面,Eads(c端吸附)>E ads(水平吸附)>E ads(o端吸附),同样说明金红石相TiO2(110)面吸附CO分子主要以C端吸附方式为主;表面O空位的浓度越高,E ads 越大,说明吸附后结构越稳定,吸附越容易实现.表2CO分子吸附于金红石相TiO2(110)表面的吸附能吸附完整表面吸含一个氧空位表面含两个氧空位表面方式附能E ads/eV吸附能E ads/eV吸附能E ads/eV O端吸附0.2000.0510.019C端吸附0.1820.758 1.319水平吸附0.0710.0970.5163.3表面电子态密度为了进一步研究费米能级附近的电子结构,本文计算了完整、含有两个氧空位缺陷以及CO分子C端吸附于含两个氧空位缺陷金红石相TiO2(110)表面的分态密度和总态密度,费米能级作为零点,如图6所示.501000255075100 /eVD O S /(e l e c t r o n /e V )D O S /(e l e c t r o n /e V )D O S /(e l e c t r o n /e V )/eV/eV图6吸附前后金红石TiO 2(110)表面的态密度可以发现:完整表面费米能级靠近价带顶,导带主要是Ti 3d 轨道和少量O 2p 轨道构成,而价带主要是以O 2p 轨道和少量Ti 3d 轨道的贡献.O 空位缺陷和吸附的CO 分子都属于p 型掺杂,使费米能级靠近导带底.CO 分子吸附于氧空位缺陷表面,在导带底产生了新的杂质能级,该杂质能级是C 2p 轨道的贡献,属于施主能级,在费米能级附近出现新的峰值,改善了TiO 2(110)表面对可见光产生响应的能力.3.4介电函数复介函数ε(ω)=ε1(ω)+i ε2(ω)可以用来描述材料的光学响应函数,其中ε1=n 2−k 2,ε2=2nk .在研究材料的光学性质时,可优先从虚部的介电常数入手,其他性质均可由介电常数作为桥梁,找到对应的联系.根据Kramers-Kronig 色散关系可以得出其实部,同时也可以通过ε1(ω)和ε2(ω)推导得出吸收系数I (ω)和反射率R (ω).与本文计算有关的公式[25]如下:ε1=1+8π2e 2m 2∑V ,C∫d 3k 22π×|e ·M CV (K )|2E C (K )−E V (K )× 3E C (K )−E V (K )− 2ω2,(1)ε2=4π2m 2ω2∑V ,C ∫BZ d 3k 22π|e ·M CV (K )|2×δ[E C (K )−E V (K )− ω],(2)I (ω)=√2ω[√ε21(ω)−ε22(ω)−ε1(ω)]1/2,(3)R (ω)= √ε1(ω)+jε2(ω)−1√ε1(ω)+jε2(ω)+1 2,(4)L (ω)=ε2(ω)ε21(ω)+ε22(ω),(5)其中BZ 为第一布里渊区,C 和V 分别表示导带和价带,K 为倒格矢,|e ·M CV (K )|2为动量跃迁矩阵元,ω为角频率,E C (K )和E V (K )分别为导带和价带上的本征能级.材料对光的响应过程分为吸收过程和反射过程.吸收过程:电子吸收光子能量,从基态跃迁至激发态;反射过程:处于激发态的电子不稳定,会释放能量往低能级跃迁.吸收过程和反射过程与介电函数的虚部和实部对应,即电子吸收光子能量往激发态跃迁的可能性越大,其虚部也将越大;处于激发态的电子释放能量往低能级跃迁的可能性越大,其实部也将越大.图7为吸附前后金红石相TiO 2(110)表面的介电函数图.可以看到,完整金红石相TiO 2(110)表面,其虚部在3eV 后才大于零,但值均为超过0.25,而实部几乎维持在1.8左右.CO 分子C 端吸附于含一个氧空位缺陷表面后,介电函数的虚部在可见光1.6—3.1eV 范围内的值较完整表面有所增大,在一定程度上提高了对可见光的响应能力,如图7(b)所示.然而,当氧空位浓度更高时,即表面出现两个O 空位缺陷,CO 分子C 端吸附于表面后,极大地改变了材料对可见光的响应,如图7(c)所示.虚部在1.6eV 处附近达到极大值约为6.由此可见,在可见光1.6—3.1eV 范围内,CO 分子C 端吸附于两个O 空位缺陷表面改善表面对可见光的响应能力效果最佳.̮ Ѧ̮ Ѧ̮ Ѧ/eV/eV图7吸附前后金红石相TiO 2(110)表面的介电函数3.5吸收谱和反射谱处于基态的电子,吸收光子能量跃迁至激发态,表现为吸收.越多的电子吸收光子能量而跃迁,吸收率就越高,说明材料对光的响应能力越好.图8为吸附前后金红石相TiO 2(110)表面的吸收谱.在可见光1.6—3.1eV 范围内,完整表面吸收效果极差,仅在3eV 后才有所响应.当表面出现一个O 空位缺陷时,CO 分子C 端吸附于表面后,略微提高表面的吸收率.但当表面出现两个O 空位缺陷时,CO 分子C 端吸附于表面后,表面吸收率显著提高,在2eV 达到极大值约为53000cm −1,在整个可见光范围内,吸收率远远高于另外两种表面.处于激发态的不稳定电子,会向稳定的低能级跃迁释放能量,表现为反射.越多的电子吸收光子能量而跃迁,就会有越多的电子释放能量回到低能级,表现为反射率就越高.图9为吸附前后金红石相TiO 2(110)表面的反射谱.从图中可以看出,在可见光1.6—3.1eV 范围内,完整表面和CO 分子C 端吸附于一个O 空位缺陷表面的反射效果都很差,其值均未超过0.03.但当表面出现两个O 空位缺陷,CO 分子C 端吸附于表面后,表面的反射率显著提升,在2.7eV 达到峰值约为0.56,在整个可见光范围内,反射率远远高于另外两种表面.0123456 ծ /104 c m -1/eV图8吸附前后金红石相TiO 2(110)表面的吸收谱Ԧ/eV图9吸附前后金红石相TiO 2(110)表面的反射谱综上所述,从吸收谱和反射谱中可以发现:在可见光1.6—3.1eV 范围内,CO 吸附于含有氧空位的金红石TiO 2(110)表面都在一定程度改变了表面的光学性质,且O 空位的浓度越大,表面对可见光的吸收和反射能力越强.3.6Mulliken 电荷分布和电子密度分析表3给出了CO 分子Mulliken 电荷分布.电荷布居分析发现有0.34e 电荷从C 原子转移到表面,有0.22e 电荷从O 原子转移到表面,总的来看,共有0.56e 电荷从CO 分子向衬底表面发生了转移,CO 被表面氧空位氧化,是一种化学吸附.从电荷转移可以说明,吸附后CO 分子与衬底表面相互作用力强,吸附效果好且稳定.表面原子电荷密度如图10所示.从图中可看出:在材料表面,CO 分子C 端所对应的氧空位处,颜色极深,如图中圆圈所示,说明该处电荷密度大,从表面电荷密度的分析也可看出电荷由CO 分子向表面转移,表面发生了局部的氧化还原反应.CO分子C 端与衬底表面有着强烈的相互作用,这也与前面分析的Mulliken 电荷分布结果相符合.表3CO 分子Mulliken 电荷分布电荷/e 原子s/ep/e 总电荷/e 电荷/e理想CO 0.00C 1.67 1.91 3.580.42分子模型O 1.84 4.59 6.42−0.42CO 分子−0.56C 1.39 2.53 3.920.08C 端吸附模型O1.85 4.796.64−0.64CO O OO OOOO O OOOOOOOOOOO OTiTiTiTi Ti TiTi Ti TiTi TiTi Ti Ti Ti Ti (a)(b)(c)图10CO 分子C 端吸附于含两个O 空位缺陷的金红石相TiO 2(110)表面电荷密度分布图(a)CO 分子C 端吸附于含两个O 空位的TiO 2(110)表面侧视图;(b)CO 分子C 端吸附于含两个O 空位的TiO 2(110)表面电荷分布;(c)CO 分子C 端吸附于含两个O 空位的TiO 2(110)表面俯视图4结论为了研究光学气敏材料金红石相TiO 2(110)表面吸附CO 分子微观特性,本文采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了吸附后表面的吸附能、电子态密度、光学性质和电荷密度的变化情况.结果表明:1)光学气敏材料金红石相TiO 2(110)面吸附CO 分子主要以C 端吸附方式为主.2)CO 分子在完整金红石相TiO 2(110)二配位O 2c 的表面不容易吸附;在含有O 空位缺陷的表面容易发生吸附,且C 端吸附效果远优于水平吸附和O 端吸附;O 空位浓度越高,越有助于CO 分子C 端吸附于表面.3)CO 分子C 端吸附于两个O 空位缺陷的金红石相TiO 2(110)表面,吸附过程为放热,吸附能达到1.319eV,吸附后结构趋于更加稳定,CO 分子与衬底表面相互作用强.4)CO 分子C 端吸附于含有氧空位金红石TiO 2(110)表面后,在一定程度上改善了表面对可见光的响应,并且氧空位的浓度越大,改善表面对可见光的吸收和反射能力越明显,光学气敏传感特性表现越显著.参考文献[1]Zhang X C,Zhao L J,Fan C M,Liang Z H,Han P D2012Acta Phys.Sin.61077101(in Chinese)[张小超,赵丽军,樊彩梅,梁镇海,韩培德2012物理学报61077101][2]Fujishima A,Honda K 1972Nature 23837[3]Khan S U M,Al-Shahry M,Ingler Jr W B 2002Science 2972243[4]Zhao J,Yang X D 2003Building and Environment 38645[5]Yu X Y,Liang W,Cheng J J 2000Bulletin of the Chi-nese Ceramic Society 153(in Chinese)[于向阳,梁文,程继健2000硅酸盐通报153][6]Chen X B,Liu L,Yu P Y,Peter Y Yu,Samuel S Mao 2011Science 331746[7]Wang Y,Feng Q,Wang W H,Yue Y X 2012Acta Phys.Sin.61193102(in Chinese)[王寅,冯庆,王渭华,岳远霞2012物理学报61193102][8]O ’Regan B,Grätzel M 1991Nature 353737[9]Ashino M,Uchihashi T,Yokoyama K,Sugawaraa Y,Moritab S,Ishikawaa M 2000Applied Surface Science 157212[10]Hebenstreit E L,Hebenstreit W,Diebold U 2000Surface Science 46187[11]Wang Y J,Wang C Y,Wang S Y 2011Chin.Phys.B 20036801[12]Asari E,Souda R 2004Solid State Communications 12915[13]Cui W Y,Liu Z Z,Jiang Y J,Wang N,Feng J K 2012Acta Chim.Sinica 702049(in Chinese)[崔文颖,刘子忠,蒋亚军,王娜,封继康2012化学学报702049][14]Simon D,Simon P,Bates Y2003Phys.Rev.B67035421[15]Xiao B,Feng J,Chen J C,Yan J K,Gan G Y2008ActaPhys.Sin.573769(in Chinese)[肖冰,冯晶,陈敬超,严继康,甘国友2008物理学报573769][16]Wu X Y,Selloni A,Nayak S2004J.Chem Phys.1204512[17]Dan C,John T2002J.Phys.Chem.B1066184[18]Wang Y2005Acta Chim.Sin.631023(in Chinese)[汪洋2005化学学报631023][19]Wang Y,Meng L2005Acta Phys.Sin.542207(in Chi-nese)[汪洋,孟亮2005物理学报542207][20]Linsebigler A,Lu G Q,Yates J1995Chem.Rev.95735[21]Linsebigler A,Lu G Q,Yates J1995J.Chem.Phys.1039438[22]Burnside S D,Shklover V,BarbéBarbe C,Comte P,Arendse F,Brooks K,Grätzel M1998Chem.Mater.10 2419[23]Labat F,Baranek P,Adamo C2008J.Chem.TheoryComput.4341[24]Han Y,Liu C J,Ge Q F2006Phys.Chem.B1107463[25]Shen X C1992Semiconductor spectrum and opticalproperties(2nd Ed.)(Beijing:Science Press)(in Chi-nese)[沈学础1992半导体光谱与光学性质(第2版)(北京:科学出版社)]Microscopic characteristics mechanism of optical gas sensing material rutile titanium dioxide(110)surfaceadsorption of CO molecules∗Zhu Hong-Qiang Feng Qing†(Chongqing Key Laboratory on Optoelectronic Functional Materials,Chongqing401331,China) (Key Laboratory of Optics and Engineering,Chongqing Normal University,Chongqing401331,China)(Received18February2014;revised manuscript received17March2013)AbstractUsing the optical gas sensing materials to adsorb gases can cause the changes of the optical properties of materials. This method can be used to measure the gas composition and is a hot topic of current research in thefield of gas sensitive sensors.This paper studies the micro-characteristics of rutile TiO2(110)surface adsorption of CO molecules.By using thefirst-principles plane-wave ultrasoft pseudopotential method based on the density functional theory(DFT),the adsorption energy,electron density of states,optical properties and charge density of the surface are calculated.Results show that TiO2(110)surface terminating in two coordinated O atoms is the most stable surface,and the stucture with C-terminal of CO molecules adsorbed on the surface is the most stable.The higher the oxygen vacancy concentration, the more helpful it is to the adsorption of surface CO molecules.This process is exothermic.When the oxygen vacancy concentration is33%,the adsorption energy can reach1.319eV.After adsorption,the structure of the surface tends to be more stable.Oxygen vacancy oxidizing the CO molecule is the essence of the adsorption process,and the charge of a CO molecule is transferred to the material surface.The CO molecules adsorbed on TiO2(110)surface containing oxygen vacancies can improve its optical properties in visible light range;moreover,the higher the concentration of oxygen vacancy,the more obvious the improvement of absorption,reflection ability and optical gas sensing performance.Keywords:gas sensing material,rutile,CO,density functional theoryPACS:31.15.A–,71.15.Dx,71.15.Mb,71.15.–m DOI:10.7498/aps.63.133101*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61274128,61106129),and the Natural Science Foundation of Chongqing City,China(Grant Nos.CSTC2013JCYJA0731).†Corresponding author.E-mail:fengq_126@。
红宝石tio2晶体结构
红宝石tio2晶体结构
红宝石的化学成分为Al₂O₃，其中部分Al³⁺被Cr³⁺替代而呈现红色。
TiO ₂主要有三种晶体结构：金红石型、锐钛矿型和板钛矿型。
1. 金红石型TiO₂晶体结构。
- 金红石型TiO₂属于四方晶系。
- 晶胞参数为a = b≠c，α=β=γ = 90^∘。
- 在晶胞中，Ti⁴⁺位于体心立方点阵的中心位置，O²⁻位于Ti⁴⁺周围的八面体配位位置。
每个Ti⁴⁺被6个O²⁻所包围，而每个O²⁻与3个Ti⁴⁺配位。
2. 锐钛矿型TiO₂晶体结构。
- 锐钛矿型TiO₂也属于四方晶系。
- 它的晶胞结构与金红石型有所不同。
Ti⁴⁺同样处于八面体配位环境，但晶胞的堆积方式和原子的相对位置有差异。
- 在锐钛矿结构中，Ti - O键长与金红石结构中的Ti - O键长也存在不同，这导致其在物理和化学性质上与金红石型TiO₂有区别。
3. 板钛矿型TiO₂晶体结构。
- 板钛矿型TiO₂属于正交晶系。
- 其晶胞的对称性和原子排列方式与金红石型和锐钛矿型都不同。
- 在板钛矿结构中，Ti⁴⁺和O²⁻的配位关系也具有其独特性，这种结构相对较为复杂，原子的排列和键合关系在三个不同的晶轴方向上有各自的特点。
金红石型二氧化钛晶体结构
金红石型二氧化钛晶体结构引言：金红石型二氧化钛是一种具有重要应用价值的晶体结构，其独特的结构和性质使其在光电子学、能源储存和催化等领域发挥着重要作用。
本文将详细介绍金红石型二氧化钛的晶体结构、性质及其应用。
一、晶体结构金红石型二氧化钛的晶体结构属于立方晶系，空间群为P42/mnm。
其晶胞参数为a=b=4.593 Å，c=2.958 Å。
晶胞中含有8个Ti原子和16个O原子，Ti原子位于晶胞的（1/4，1/4，0）和（3/4，3/4，0）位置，O原子位于晶胞的（1/2，1/2，0）和（0，0，1/2）位置。
二、性质特点金红石型二氧化钛具有许多独特的性质，使其成为研究的热点之一。
1. 光学性质金红石型二氧化钛是一种具有较大能隙的半导体材料，其带隙约为3.0 eV。
它对紫外光的吸收较强，而对可见光和红外光的吸收较弱，因此具有较高的透明度和折射率。
2. 电学性质金红石型二氧化钛具有优异的电学性质，具有较高的电导率和较低的介电常数。
在光电子器件和太阳能电池中广泛应用。
3. 热学性质金红石型二氧化钛的热稳定性较好，具有较高的熔点和热导率。
在高温条件下，仍能保持较好的结构稳定性。
4. 催化性能金红石型二氧化钛具有优异的催化性能，可用于光催化、电催化和热催化等领域。
其特殊的晶体结构和电子结构使其具有较高的催化活性和选择性。
三、应用领域金红石型二氧化钛由于其独特的结构和性质，被广泛应用于各个领域。
1. 光电子学金红石型二氧化钛作为光电子器件的重要材料，可用于制备太阳能电池、光电探测器和光纤通信器件等。
其良好的光学性能和电学性能使其在光电子学领域具有广阔的应用前景。
2. 能源储存金红石型二氧化钛作为电池和超级电容器的电极材料，具有较高的电导率和较低的电极电阻，能够提高能量存储和释放效率。
因此，在能源储存领域具有巨大的应用潜力。
3. 催化剂金红石型二氧化钛作为催化剂，可用于光催化、电催化和热催化等反应中。
纳米TiO2粉体晶相组成定量分析计算方法
纳米TiO2粉体晶相组成定量分析计算方法化学工程师ChemicalEngineer2006年1月文章编号:1002—1l~t(2006101一OO2O一03纳米TiC2粉体晶相组成定量分析计算方法周志强,吴泽,闫爱华,毛建,张显友(哈尔滨理工大学材料科学与工程学院.黑龙江哈尔滨150040)摘要:通过理论计算,给出了纳米Ti02混晶中金红石相和锐钛矿相相对含量的计算公式,与文献中实验方法得出的计算公式吻合,理论计算和实验结果得以很好的相互验证.关键词:纳米Ti02;晶相组成;计算方法中圈分类号:TQ134.1;0722文献标识码:AQuantitativeanalysisofllanTiC2crystallinepllasesbytheoreticalmethod ZHOHZhi—qiang,WUZe,Y ANAi—hua,MACJian,ZHANGXian—you (MaterialScienceandEngineeringCollege,HarbinUniversityofScienceandTechnology.H arbin150040,China)Abstract:AformulaforrelativecontentofrutileandanataseinnanosizedTi02powderisputfo rwardbytheoreticalmethod.whichiswellinaccordancewithformerexperimentalresult.andgetsfinemutualverf lqeation.Keywords:nanosizedTi02;crystallinephase;theoreticalmethod纳米rio2是一种新型的无机功能材料,其优异的光,电,热,磁等物理化学性能使其在紫外线屏蔽,涂料颜色效应,传感材料,陶瓷及高分子材料改性等方面有着广泛的应用;近年来,依据光激发半导体产生原初电荷分离进行的光催化氧化还原技术及其超亲水性,使得纳米Tio2在污水处理,空气净化,抗菌杀毒,玻璃防雾,建筑玻璃自洁净,贵金属离子回收,太阳能开发等方面的潜在应用受到世界各国的广泛关注.纳米Tio2的各种优异性能与其晶型和晶相组成具有很大的关系,一般方法制备出的纳米Tio,均为混晶.所以,常常需要测定纳米TiO2混晶中各晶相的相对含量.着名的Spurt—Myers公式…成为x一射线衍射法测定纳米Tio2晶相组成的重要依据.本文通过理论计算,证实了Spurr—Myers 公式的正确性,计算值与该公式的实验值一致.1TiC2的晶体结构TiC2通常具有3种主要晶型[,]:金红石型(Rutile),锐钛矿型(Anatase)和板钛矿型(Brookite) (其他晶型TiC2也有存在,比如高压条件下可以制得氯铅矿型TiC2E]).但一般条件下,制备出的纳米收稿Et期:2005—11—1O作者简介:周志强(1979一),男,在读硕士研究生. Tio2主要含金红石,锐钛矿两种晶型,板钛矿及其他晶型含量非常少或几乎没有.恰巧的是,一般应用中,几乎都使用的是金红石型和锐钛矿型TiO2.两种晶型的晶胞结构见图1.[0013金红石图1金红石和锐钛矿的晶胞结构金红石型:四方晶系,单位晶胞内TiC2分子数为2,空间点群为,D靠一P4Cmnm,Ⅱ=b=4.s841,c :2.953~Isl;锐钛矿型:四方品系,单位晶胞内TiO2分子数为4,空间点群为D靠一14l/amd,Ⅱ=b=磕骚澎2006年第1期周志强等:纳米Ti02粉俸晶相组成定量分析计算方法3.782]t,c=9.502~6].由于其内在晶体结构的不同,两种晶型表现出的物理化学性能有所不同.金红石具有较大的密度和折射率,较好的光线散射能力,很强的遮盖力和着色性,广泛应用在油漆,造纸,陶瓷,橡胶,搪瓷,塑料和纺织等工业中;同时,金红石对紫外线具有良好的屏蔽作用,作为紫外线吸收剂广泛应用于美容护肤品,涂料,油漆,油墨,食品包装,农用塑料薄膜及特种防护型纤维等领域.锐钛矿具有良好的光催化活性,尤其当其颗粒尺寸下降到纳米级,广泛应用于污水处理,空气净化,抗菌杀毒,玻璃防雾,建筑玻璃自洁净,贵金属离子回收,太阳能开发等领域.2晶相含量定量分析RobertA.Sputr和HowwardMyers[1j将纯金红石相和纯锐钛矿相以大范围不同的比例混合,然后将两相的特定特征衍射线积分强度比值与两相相对质量分数进行联立,得出混晶中金红石相和锐钛矿相质量分数公式,即着名的Sputr—Myers公式:XR=l一1/(1+去')XA=1/(1十去')(1)式中,XA分别表示金红石相和锐钛矿相的质量分数,1/K:常数1.26.该公式多年来一直被广泛引用.下面,我们通过理论计算的方法,给出混晶中金红石相和锐钛矿相的相对质量分数公式.每一种物相都有各自的特征衍射线,从衍射线强度理论可知,多相混合物中某一相的衍射强度,随该相含量的增加而增加,其衍射线的积分强度可表示为]:母?1i+cosZ20i(2)式中前3项是物理常数和仪器常数,以后几项是与晶体试样的结构和实验条件有关的因子.式中Io:入射射线的强度;/'/Z,e:电子的质量和电荷;c:光速;:入射x射线的波长;尺:衍射仪半径;:参与衍射的试样的体积;V o:晶胞的体积;F:结构因数;P:多重性因数.称为角因素,其中为衍射线的布喇格角;e肘为温度因素,其上角标为一温度函数[9];为吸收因素,其中为试样的线吸收系数.'" 若令B=,0eq'～,—FizPi.±.一sinZ0cos0i2式中:一个只与入射光束强度,0,射线波长,衍射仪半径尺及受照射的试样体积等实验条件相关的常数;小角标各参数为第相的参数(下同);c/只与第相的结构及实验条件有关,当该相的结构已知,实验条件选定之后,cs为常数,并可计算出来.则可表示为:=式中为混晶中参与衍射的第相的体积分数.若为与对应的质量分数,为密度,为混晶试样的质量吸收系数_l0].则有:li:Bc.m该公式直接把第.项的某一特征衍射线积分强度与该项的质量分数联系了起来.于是IR=BCR厶=B.一一CawaoaW A一～IA—Cawap~WB—IRCa再令:K,(3)可得,=l一1/(1+?旁)A:1/(1+去?1R),(4)为了与Sputr—Myers公式(1)对应,这里我们使用,来分别表示混晶中金红石相和锐钛矿相的质量分数,厶/可由衍射强度得出,为/常数,只要计算出/,则可求得1/K及各相的质量分数R,A.锐钛矿相和金红石相结构参数及衍射参数见表1.金红石晶胞中原子的位置坐标取:原点(0, 0,0),(0.5,0.5,0.5);金红石晶胞中0原子的位置坐标取:(0.305,0.305,0),(0.695,0.695,0),(0.195,0.805,0.5),(0.805,0.195,0.5).表1中散射因子厂查表并计算得出[11].周志强等:纳米T粉体晶相组成定量分析计算方法2006年第1期表1金红石和相锐钛矿相的结构和衍射参数金红石(110)面的结构因子:ll0=.rj∑emkx,)+0∑ei2~r(kxn)其中(,Ym,):金红石晶胞中第m个原子的位置坐标;(X,Y,):第n个0原子的位置坐标.将坐标值代入上试得:FRllo=34.44锐钛矿晶胞中1ri原子的位置坐标取:原点(0,0,0),(0.5,0.5,0,5),(1,0.5,0.75),(0.5,0,0.25);锐钛矿晶胞中0原子的位置坐标取为:(0.5,0,0.043),(1,0,0.793),(1,0,0.207),(1,0.5,0.957),(0.5,0.5,0.707),(0.5,0.5,0.293),(1,0.5,0.543),(0.5,0,0,457),其(101)面的结构因子:lol=ei2~r()式中(,,Zp):锐钛矿晶胞中第p个Ti原子的位置坐标;(,Y q,):第9个0原子的位置坐标.将坐标值代入上式得:FA10l=39.19—39.19i于是CR嵋oIFRi2一oIFA121+cos220._sin—~0R—cos0R~e-2(MR一)l+CO822sin20AcosOA式中=4.80;IFRI286;-o.5(1+cos22OR)/(sin2COSOR):32.82;(1+COS220A)/(sin20AcosOA)=38.52.在e一2M的温度函数表达式中[,金红石和锐钛矿两相的布喇格角差值(oR一6l4)很小,e'一)可近似为1,所以,=0.79,带入(3),(4)式得:1/K=1.40XtR1一l/(1+l_40鲁)XtA=1/(1+l_40,lA其中理论计算值1/K=1.40与Spurr—Myers公式中的实验确定值1/K=1.26非常接近,在理论与实验相互验证上属非常成功的.3结论通过理论计算,给出了纳米Ti02混晶中金红石相和锐钛矿相相对含量的计算公式,与文献中实验方法给出的计算公式吻合很好,理论和实验方法得以很好的相互验证.参考文献[1]Spun"RA,MyersH.Quantitativeanalysisofanatasc—mtilemixtures withallx—raydiffractometer[J].Ana1.Chem.,1957,29:760—762. [2]高濂,郑珊,张青红.纳米氧化钛光催化材料及应用[M].北京:化学工业出版社,2o02.[3]VainshteinBK,FridkinWM,IndenbomVISteuetureofcrystals [M].Berlin:MacmillanIndial,td,1994.[4]DubmvinskyLS,DubmvinskaiaNA,SwamyV,a/Materialsscience:theh',n'destknownoxide[J].Nature2001,(410):653—654.[5]GrantFA.Propertiesoft-utile(titaniumdioxide)[J],Rev.Mod. Phys.1959,(31):646—674.[6]SamsonovGV.111eoxidehandbook[M].NewY ork:IFL/Henum Press,1982.[7]杨南如,无机非金属材料测试方法[M3.武汉:武汉理工大学出版社.1993.26—27;70—71.[8]范雄.金属x射线学[M].北京:机械工业出版社,1989.54;72 —73;87—90.[9]范雄,金属x射线学[M].北京:机械工业出版社,1989.53.[10]杨南如.无机非金属材料测试方法[M].武汉:武汉理工大学出版社.1993,71.[11]杨南如.无机非金属材料测试方法[M].武汉:武汉理工大学出版社,1993.362.。
金红石型纳米二氧化钛合成及晶貌控制
金红石型纳米二氧化钛合成及晶貌控制陈健美;杨舟;李伟【摘要】采用溶胶-凝胶法制备了一系列锐钛矿型、金红石型和混晶纳米TiO2,通过改变反应条件获得了具有不同形貌的金红石型样品.借助DTA-TG技术确定所得锐钛矿型向金红石型发生晶型转变的温度,在低于晶型转变的温度下焙烧系列纳米TiO2样品,对样品用XRD、TEM、IR等技术进行了表征.研究表明,缓凝剂的加入不利于金红石型TiO2的形成,钛原料浓度增大使样品中金红石型的含量增大,反应初期氨水的加入可加快体系中锐钛矿型TiO2的生成,反应时间和陈化时间的延长有利于锐钛矿向金红石型的转变.【期刊名称】《湖南有色金属》【年(卷),期】2016(032)001【总页数】5页(P53-57)【关键词】纳米二氧化钛;金红石型;制备与袁征;晶貌控制【作者】陈健美;杨舟;李伟【作者单位】湖南涉外经济学院机械工程学院,湖南长沙410205;湖南涉外经济学院机械工程学院,湖南长沙410205;湖南涉外经济学院机械工程学院,湖南长沙410205【正文语种】中文【中图分类】TF823纳米TiO2是一种理想的半导体材料，其在光电转换、光催化及化学传感等领域具有广泛应用前景［1～3］。
近年来，线、棒、管、球、泡沫和薄膜等不同形貌的纳米TiO2已被合成［4～9］。
其中，金红石型纳米TiO2由于其无毒、无味，对中长波紫外线都有良好的屏蔽作用，且吸收紫外线后不分解、不变色，具有较强的稳定性和持久性，被广泛应用于防晒化妆品、涂料、镀层、汽车漆等领域［10～13］。
目前金红石型TiO2主要由锐钛矿型经高温煅烧转化而成，但高温煅烧必然导致团聚，其粒径难以控制而影响金红石型纳米TiO2的性能。
本文采用溶胶-凝胶法，以TiCl4为原料，通过改变缓凝剂、酸度、钛原料浓度和陈化时间等措施，对金红石型纳米TiO2的晶貌影响因素及最佳合成条件进行了研究。
1.1 试剂试验中使用的试剂均为分析纯，包括：天津市科密欧化学试剂开发中心的四氯化钛（TiCl4），湖南师范大学化学试剂厂的无水乙醇（C2H5OH），湖南株洲湘氮九州化学试剂有限公司的盐酸（HCl），仙桃市第一化工厂的氨水（NH3·H2O）。
二氧化钛与碳纳米复合材料的制备、计算及性能研究
学位论文作者签名：
日
期：
I
三峡大学硕士学位论文
引言
纳米科技是在 20 世纪 80 年代末诞生的，随着科学家们几十年的不懈努力，纳米 科技不仅在科学研究上取得了突破性的进展，而且在材料、信息、环境、生命、能源 和国防等方面也有着广泛且重要的应用前景。纳米科技也由此被认为是二十一世纪科 技产业革命的重要内容之一。目前，纳米科技不仅能够制作出硬度更强、重量更轻、 寿命更长、维修费更低的器件，而且还可以制作出具有特定性质的材料或自然界原本 就不存在的材料。纳米复合材料是纳米科技的一个重要分支，该种材料是由两种或两 种以上的固相纳米材料复合而成，其具有综合性能强，性能可设计等优点，近几年来 发展特别快，世界发达国家都已把纳米复合材料的发展放到了重要的位置。石墨烯 (graphene)是继富勒烯，碳纳米管之后碳素家族又一低维纳米材料，其物理化学性质 已成为国际的研究热点，将其应用于复合材料，有望提升相关材料的性能。
本文的研究内容主要分两部分，一是针对目前二氧化钛分离回收难和可见光利用 率低的问题，制备出了二氧化钛纤维和二氧化钛/石墨烯复合材料，二是基于相关实 验，构建了四种碳纳米管/石墨烯 T 型复合结构模型，并利用第一性原理研究了该复 合材料的结构，电学和场发射性质，这对碳纳米管/石墨烯新材料在实验上的制备与 实际应用具有一定的指导意义。
IV三峡大学硕士学位论文来自三峡大学学位论文原创性声明
金红石二氧化钛纳米片的性质及其光催化活性
金红石二氧化钛纳米片的性质及其光催化活性赵丹丹;于彦龙;高东子;曹亚安【摘要】采用溶胶-凝胶、质子交换和层状剥离的方法,制备出金红石TiO2纳米片.利用X射线电子衍射谱(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、X光电子能谱(xPS)的价带谱和荧光光谱(PL)等对样品进行了表征,研究了光生载流子的转移过程.结果证明:金红石TiO2纳米片具有较大的比表面积(185.7m2/g),厚度约5 nm,与金红石TiO2样品相比,金红石TiO2纳米片的禁带宽度增加,氧化还原能力增强;此外,纳米片结构能够促使光生载流子快速转移到纳米片的表面并产生有效分离,阻止了光生电子和空穴的复合,提高了光催化反应中光生载流子的利用率.金红石纳米片的这些特性导致其具有较高的光催化活性,紫外光催化降解对氯苯酚的实验表明:金红石TiO2纳米片的光催化活性高于金红石TiO2和锐钛矿TiO2样品.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2016(031)001【总页数】6页(P1-6)【关键词】金红石TiO2纳米片;比表面积;能带结构;光生载流子;光催化活性【作者】赵丹丹;于彦龙;高东子;曹亚安【作者单位】南开大学物理科学学院,泰达应用物理研究院,弱光非线性光子学教育部重点实验室,天津300457;南开大学物理科学学院,泰达应用物理研究院,弱光非线性光子学教育部重点实验室,天津300457;南开大学物理科学学院,泰达应用物理研究院,弱光非线性光子学教育部重点实验室,天津300457;南开大学物理科学学院,泰达应用物理研究院,弱光非线性光子学教育部重点实验室,天津300457【正文语种】中文【中图分类】O643;O644低维结构TiO2具有维度低、化学稳定性好和氧化还原能力强等特点, 近年来被广泛应用于光催化、太阳能电池和纳米器件等领域[1-13]。
Adachi等[2]合成了锐钛矿纳米管, 并研究了其光催化活性; Quan等[6]报道了改性的锐钛矿纳米管, 具有良好的光电协同催化能力; Zhang等[7]制备了一种高度有序的锐钛矿纳米管阵列电极, 有效地提高了电极光电协同催化活性; Macak等[8]合成了金红石锐钛矿混合的纳米管, 大大提高了TiO2光催化降解有机物的性能。