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密度泛函理论研究锐钛矿晶体掺杂以及锐钛矿TiO2(101)表面对氨基酸的吸附

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1 前言

1.1 二氧化钛概述

1.2 二氧化钛的光催化机理

1.3 二氧化钛掺杂改性的研究

1.4 二氧化钛生物效应

1.5 计算机模拟在材料研究中的应用

1.6 论文选题及主要研究内容

2 理论基础与计算方法

2.1密度泛函理论

2.2密度泛函紧束缚理论(SCC-DFTB)

2.3本论文采用的计算软件

3 N和过渡金属(V、Cr、Mn、Fe、Co)单掺杂锐钛矿型TiO2

3.1纯锐钛矿型TiO2

3.2 N单掺杂锐钛矿型TiO2

3.3 过渡金属V、Cr、Mn、Fe、Co单掺杂锐钛矿型TiO2

3.4 本章小结

4 N-X(V、Cr、Mn、Fe、Co)共掺杂锐钛矿型TiO2

4.1 N-X(V、Cr、Mn、Fe、Co)共掺杂锐钛矿TiO2的模型和几何优化

4.2 N-V共掺杂锐钛矿型TiO2的能带和态密度

4.3 N-Cr共掺杂锐钛矿型TiO2的能带和态密度

4.4 N-Mn共掺杂锐钛矿型TiO2的能带和态密度

4.5 N-Fe共掺杂锐钛矿型TiO2的能带和态密度

4.6 N-Co共掺杂锐钛矿型TiO2的能带和态密度

4.7 N与过渡金属共掺杂结果比较

4.8 本章小结

5 氨基酸在锐钛矿(101)表面吸附的理论研究

5.1 锐钛矿(101)表面和氨基酸模型

5.3 丝氨酸(Ser)、苏氨酸(Thr)在锐钛矿(101)表面的吸附

5.4 天门冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)在锐钛矿(101)表面的吸附

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历

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摘要

TiO2由于具有良好的光催化活性和化学稳定性,安全无毒,低成本等优势,被认为是最具应用潜力的半导体光催化剂。但是由于其禁带宽度较宽(锐钛矿3.2 eV,金红石3.0 eV),只能在紫外光范围响应,而对太阳光的利用率较低。如何有效提高其可见光利用率,一直是研究者关注的热点。经过长期研究发现,对TiO2进行掺杂可有效提高其光催化性能。
  本论文基于密度泛函第一性原理,采用广义梯度近似(GGA)交换相关泛函,超软赝势下,对锐钛矿型 TiO2晶体进行 N,V,Cr,Mn,Fe,Co单掺杂以及N-V,N-Cr,N-Mn,N-Fe,N-Co共掺杂,研究其结构与电子性质的变化。我们发现,N取代锐钛矿中的O原子后,在价带顶端引入了由N2p轨道贡献的杂质能带,导带底端向低能级发生移动,使得体系的禁带宽度变窄,理论推测可实现TiO2在可见光范围的光催化活性。过渡金属V,Cr,Mn,Fe,Co取代锐钛矿中的Ti原子后,主要是其3d轨道产生的杂质能带影响了体系的禁带宽度和分布情况。其中V和Co掺杂直接减小了禁带宽度,Cr,Mn,Fe掺杂后使得直接禁带宽度变大,但同时带来了中间掺杂能级,所有过渡金属单掺杂都使锐钛矿 TiO2的吸收边发生了红移现象。根据能带和态密度计算结果分析,我们认为 V、Mn和Fe掺杂的锐钛矿型TiO2的光催化活性较好,Cr和Co掺杂效果提高不太明显。
  N-V,N-Cr,N-Mn,N-Fe,N-Co共掺杂时,N与过渡金属存在协同效应,有利于提高TiO2光催化活性。其中N-V共掺杂后,TiO2的导带和价带同时得到扩展,禁带宽度大大减小,吸收边发生较大程度的红移。N-X(Cr、Mn、Fe、Co)共掺杂中,N2p轨道位于价带顶端位置,过渡金属3d轨道产生了中间能级,减小了电子跃迁所需的激发能,使 TiO2的吸收边发生红移现象。理论推测由于共掺杂原子之间的协同作用,在可见光下具有比单掺杂更好的光催化活性。
  此外,TiO2纳米材料因具有良好的生物效应,其光催化性能在生物医学方面的应用也日益得到重视。针对 TiO2在生物效应方面的应用,我们采用密度泛函紧束缚理论(DFTB)研究了简单生物分子?氨基酸在锐钛矿(101)表面的吸附机理。一组是侧链含有羟基活性官能团的丝氨酸和苏氨酸,另一组是侧链含有羧基活性官能团的天门冬氨酸和谷氨酸。计算结果表明,羧基–COOH对稳定吸附构型的贡献最大,吸附过程中发生去质子化,产生约-30 kcal/mol的吸附能,侧链羟基–OH与表面形成氢键或静电相互作用,产生约-10 kcal/mol的吸附能,而氨端–NH2呈钝化现象,三种官能团在(101)表面的活性顺序为–COOH>>–OH>–NH2。丝氨酸和苏氨酸在锐钛矿(101)表面的最稳定吸附构型是由羧基与表面相互作用形成的单齿构型,侧链羟基只与表面形成氢键或存在静电相互作用;天门冬氨酸和谷氨酸在锐钛矿(101)表面的最稳定吸附构型是由主链羧基α-COOH和侧链羧基β-COOH与表面共同作用形成的双齿桥氧构型。通过分析几何构型,吸附能和密立根电荷分布,我们认为,生物分子与锐钛矿(101)表面的固定,主要来自羧酸根-COO-与表面Ti形成的Ti-O键,其次还有支链-OH与表面的静电相互作用和氢键。

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