锐钛矿型二氧化钛纳米管的第一性原理研究

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二氧化钛（TiO2）纳米材料由于其独特的物理和化学特性，广泛的应用于多相光催化反应以及气敏传感器等领域，同时对于构建转换效率良好的染料敏化太阳能电池也具有非常大的潜力。本文利用第一性原理的方法计算研究由二氧化钛单层膜构建的多种单壁二氧化钛纳米管的结构，能量以及对Cu原子和CO的吸附行为。主要内容如下：
　　对构造的（0,m）（n,0）和（n,m）纳米管进行理论计算，得到他们的稳定结构。三种类型的TiO2纳米管:（0,m），（n,0）和（n,m），都是半导体，带隙为2.95eV-3.4eV。我们发现三种管虽然具有类似管壁结构，但是由于手性的不同，在电荷分布和能带结构上存在明显的差异。但三种类型的TiO2纳米管在能带结构的变化上是具有共同之处的即随着口径的增加，带隙增加，而应变能减少。因此大口径的TiO2纳米管的结构将更加稳定，但吸收光的波长减小，这使得其很难吸收太阳光。所以，小口径的纳米管在吸收太阳光上获得了更多的应用，例如（3,2），（4,2）和（6,3）的带隙都接近于体相材料，可以有效的吸收可见光，从而更加有效地应用于光催化反应与太阳能电池的制备等。此外，二氧化钛纳米管的墙壁中含有许多不饱和原子，即桥氧原子2cO和钛原子 Ti，为催化反应提供了大量的活性位点，并对反应物或小分子（一氧化碳，氢，甲醇等）具有良好的吸附能力。
　　然后我们研究了（0,3）和（6,0）管对与Cu的吸附能力。Cu原子作为活泼的过渡态金属，在实验上，Cu会以原子和离子的形式吸附或掺杂在二氧化钛纳米管中。在我们的研究中，Cu吸附在两种纳米管上都会失去电子，而显电正性。Cu的吸附使得体系的带隙减小，特别是在（0,3）上的吸附，其带隙变化更明显，同时吸附能更高，这可以解释为Cu原子与附近氧原子2cO和3cO的重叠布居数更多，键能更强。
　　为了进一步研究Cu-nanotubes体系的传感特性，将CO吸附在Cu-nanotubes体系表面，并进行了密度泛函理论计算，对吸附构型以及吸附后电荷在原子间的转移做了进一步的研究和探讨。研究发现，CO无法与（0,3）和（6,0）管形成稳定的吸附结构，只能吸附在Cu的表面，并对体系产生了一定影响。CO以Cu-C键的吸附方式的吸附能更高，结构更稳定。CO的吸附使得所有体系的带隙都在增加。在CO四种吸附构型中，（0,3）-Cu-CO（1）构型带隙增加的最为明显。

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作者
张海洋;
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作者单位

中国海洋大学;

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授予单位中国海洋大学;
学科凝聚态物理
授予学位硕士
导师姓名
年度 2013
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类特种结构材料;
关键词
二氧化钛纳米材料; 第一性原理; 吸附行为; 管壁结构;

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