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TiO_2表面光催化中分子运动的MD模拟

作　者: 刘智
导　师: 张平
学　校: 湘潭大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 分子动力学光催化石墨烯类冰结构水
分类号: O561
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

提高TiO₂的光催化效率是近年来的一个热点研究问题。经过几代科研人员的努力,在这个领域我们获得了很大的进步。但是现在我们目前能制备和使用的半导体材料的光催化效率还是普遍偏低。虽然提高材料光催化效率的方法和技术很多,但是这些方法和技术的目的可以归为两类:一类是通过扩展材料的光吸收谱来提高材料的光催化效率;另一类是降低材料中已经产生光生电子-空穴对在材料内部或外部的复合消耗,通过增加可以有效利用的光生电子-空穴的比率来提高材料的光催化效率。这些方法和技术大多数都只是关注改良半导体材料的性能,只有很少的研究涉及了光催化过程中非材料因素对光催化效率的影响。本文通过分子动力学方法研究在TiO₂光解水的过程中水分子运动和平衡状态下的结构以及TiO₂光催化还原Hg²⁺过程中Hg²⁺的运动特点,来探索在光催化过程中水环境因素对TiO₂表面光催化效率的影响。因为大量水分子聚集在一起时会干扰对分子结果的观察。所以为了细节地研究水分子对光催化的影响,要建立水分子数目较少的水滴模型。在建立模型的过程中用能量最小原理,确立在分子动力学模拟过程中TiO₂表面的光生电荷的模型。模拟结果发现水分子在TiO₂表面形成了有序的类冰结构。这种类冰结构束缚了结构内部的水分子,阻碍了水分子在结构两侧的穿过。因为类冰结构限制了材料表面物质的运动,抑制了光催化的反应物、生成物的扩散,所以类冰结构降低了材料的光催化效率。类冰结构占据的几何空间随着TiO₂表面光生电子浓度的增加而加大。在TiO₂表面的水滴模型的基础上构建了水滴模型中的Hg²⁺光催化还原的模型,模拟下Hg²⁺在光催化过程中的细节运动规律。分析Hg²⁺的运动规律发现水在表面形成的类冰结构阻碍Hg²⁺向表面靠近。Hg²⁺运动的轨迹反应了类冰结构阻碍作用。通过研究Hg²⁺轨迹的变化,知道了破坏类冰结构中每一层所需要的能量是不同的:越靠近表面,所需能量越大。这也就提供了一种研究在材料表面形成的类冰结构的方法。为了探索提高光催化效率的方法,采用在TiO₂表面掺杂的方式来限制表面类冰结构占据的空间。模拟结果表明:在TiO₂表面掺杂Fe³⁺减小了类冰结构在表面的覆盖面积,减小了类冰结构占据的空间,减弱了类冰结构对表面附近粒子运动的束缚,有利于光催化过程中反应物和生成物的交换、扩散,可以促进光催化的效率的提高。在通过水滴模型了解了光催化过程中分子（离子）的运动细节后,为了趋近实际情况,在TiO₂表面建立水分子较多的水层模型。在TiO₂表面的水层模型中发现水在TiO₂表面形成的类冰结构总是会有缺陷,水结构中类冰结构和非类冰结构的比率大致不变。这就说明了类冰结构是水结构在（带电）表面作用力的作用范围内的重新分布。表面的光生电子浓度越大,表面作用力的作用范围就越大,表面上的类冰结构占据的空间就越大。最后用石墨烯代替TiO₂作为模型中的表面,做了类似的模拟。发现在相同的电子浓度水平上在石墨烯表面上水分子的扩展范围、移动速度都要大于TiO₂上水分子的运动速度。比较两种表面上Hg²⁺的轨迹发现,在石墨烯表面的Hg²⁺可以滑动更大的距离,使Hg²⁺获得更大的还原几率,有利于Hg²⁺的还原。这说明了带电石墨烯表面上的类冰结构的阻碍作用比TiO₂上生成的类冰结构的阻碍作用要小。这就说明石墨烯/TiO₂复合材料会比TiO₂拥有更高光催化效率。

TiO_2表面光催化中分子运动的MD模拟

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