H2O分子在锐钛矿型TiO2(101)表面的吸附特性与微观机理

近年来,随着着光纤技术和光集成技术的发展,光学气敏湿度传感器被广泛应用,在气敏传感材料领域中,由于TiO2具有灵敏度高、响应时间快等优点而受到广泛关注。本文采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法,模拟计算H2O分子在锐钛矿型TiO2(101)无氧空位和有氧空位表面的吸附行为,对吸附能、吸附距离、吸附前后表面电子态密度以及光学性质分别进行分析,结果表明：H2O分子在无氧空位锐钛矿型TiO2(101)表面不容易被吸附,在含有氧空位缺陷的表面容易被吸附;稳定吸附后,H2O分子平面垂直于TiO2表面;负电中心（O端）距空位越近,吸附越稳定,且氧空位浓度越高,吸附效果越明显;通过电子态密度分析发现,H2O分子吸附于含氧空位的表面后,由于H2O分子中O原子的2p孤对电子掺入,在费米能级附近出现新峰值,提高了材料在可见光低能区域的跃迁几率,明显改善了对可见光的吸收系数和反射率,光学气敏传感特性显著。     

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

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1.319 eV,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.     

金红石相TiO_2(110)面对NH_3吸附的微观机制和光学气敏特性研究

研究光学气敏材料吸附气体后的光学气敏特性是气敏传感研究的热点问题。研究了金红石相TiO2(110)面吸附NH3的微观机制和光学气敏特性。结果表明,NH3分子容易被含氧空位缺陷的金红石相TiO2(110)面所吸附,且提高表面氧空位的比例,有利于NH3稳定吸附。表面吸附NH3分子以负电荷中心向下为主,当氧空位比例为33%时,吸附能为1.7313eV。表面吸附NH3为化学吸附,NH3的H原子被还原而N原子被氧化。含氧空位的表面吸附NH3在可见光1.5~3.1eV范围内,表面氧空位比例越大,其对可见光吸收和反射能力越强,光学气敏性越灵敏。     

锐钛矿型氧化物XO2（X=Ti,Sn,Zr,Ir）表面氧化性对NH3气体光学气敏传感特性的影响

摘要 金属氧化物气敏传感材料一直是当今的热门研究课题,锐钛矿相金属氧化物XO2（X=Ti,Sn,Zr,Ir）是具有传感特性的常见材料。光学气敏效应是指气体分子吸附在气敏传感材料上,与表面氧空位发生氧化还原反应,由于光学性质发生改变而检测出气体的成分和浓度,因此,氧化还原反应的强弱是反应传感性能的核心原因。本文采用密度泛函理论(DFT)体系下广义梯度近似(GGA)第一性原理平面波超软赝势方法,分析和计算了含氧空位的锐钛矿相XO2（X=Ti,Sn,Zr,Ir）表面特性。通过以NH3为目标分子,研究分子表面吸附引起的氧化还原反应的机理,分析不相同的氧化物表面的几何结构、吸附能、态密度、差分电荷密度、电荷布居、电荷转移、光学性质等。研究发现：目标分子稳定吸附在氧化物表面后改变材料光学性质。SnO2表面对分子的吸附能最大,IrO2表面与分子的吸附距离最小。NH3分子与表面间存在电荷转移,其转移电子数目大小为:IrO2＞TiO2＞ZrO2＞SnO2,氧化物表面氧化性的大小为:IrO2氧空位＞TiO2氧空位＞ZrO2氧空位＞SnO2氧空位;比较吸收谱和反射谱发生变化最为明显的是TiO2表面。结论,在可见光范围内,波长在400~530nm时,SnO2表面光学气敏传感效应更好。而在530~760nm范围TiO2表面光学气敏传感效应更好。     

MgO、SnO_2、TiO_2表面氧空位性质对气体光学传感特性的影响

光学气敏传感器是当今研究领域的一个热门方向.文章采用密度泛函理论(DFT)体系下广义梯度近似(GGA)第一性原理平面波超软赝势方法,分析和计算了光学气敏材料岩盐型MgO、金红石型SnO_2和锐钛矿型TiO_2表面氧空位的特性.以CO作为吸附分子进行微观机理研究,研究不同氧化物表面吸附气体分子的机理.对氧化物表面的几何结构、吸附能、态密度、差分电荷密度、电荷布居、电荷转移、光学性质等进行分析.研究发现:含有氧空位缺陷的MgO(001)、SnO_2(110)和TiO_2(101)能稳定的吸附CO分子,吸附后造成了材料光学性质的变化,可作为光学气敏传感材料.分析发现:氧空位氧化能力的大小是光学性质改变的核心原因.表面吸附CO分子后,发现SnO_2(110)表面对分子的吸附能最大,分子与表面的吸附距离最短.通过差分电荷密度和电荷布居数发现,表面与CO分子间存在电荷转移,其转移电子数目大小为:SnO_2(110)TiO_2(101)MgO(001),由此得出不同氧化物表面氧化性的大小为:SnO_2(110)TiO_2(101)MgO(001);通过对比吸收谱和反射谱发现:吸附气体分子后SnO_2(110)表面的光学性质变化最为明显,是一种较好的光学气敏传感材料.     

非金属元素掺杂锐钛矿TiO_2(101)表面对提升NH_3光学气敏传感特性的影响

本文采用第一性原理平面波超软赝势的方法,模拟计算了含氧空位锐钛矿TiO_2(101)表面单掺杂非金属C元素、N元素、F元素以及双掺杂C-N元素、C-F元素、N-F元素后表面的氧化还原能力,分析对NH_3分子吸附的微观机理,研究杂质掺入对光学传感特性的影响.结果表明:非金属元素是比较容易掺入到锐钛矿TiO_2(101)表面,掺杂表面对NH_3分子吸附较未掺杂的表面要好,表面吸附NH_3分子后,吸附距离都出现缩短,C-N元素掺杂后吸附距离最小且吸附能最大;通过Mulliken电荷布居分布分析,C掺杂提升了表面的氧化性,N元素对表面的氧化性提升不明显,而F掺杂降低了表面的氧化性;通过态密度分析可知,C掺杂在禁带中产生了受主能级,而N掺杂提高了价带顶的电子态密度,F掺杂在导带底产生了施主能级;通过光学性质的分析可知:C掺杂提升了材料对低能可见光的响应,使材料对570 nm～760 nm范围内的可见光吸收提高了大约3.5倍;而C-N双掺杂体系,使材料对400 nm～570 nm范围内的可见光吸收提高了大约3倍.总的来说,单掺杂C元素以及双掺杂C-N元素都能明显的提高材料的光学气敏传感特性.     

非金属元素掺杂锐钛矿TiO_2(101)表面对提升NH_3光学气敏传感特性的影响

本文采用第一性原理平面波超软赝势的方法,模拟计算了含氧空位锐钛矿TiO_2(101)表面单掺杂非金属C元素、N元素、F元素以及双掺杂C-N元素、C-F元素、N-F元素后表面的氧化还原能力,分析对NH_3分子吸附的微观机理,研究杂质掺入对光学传感特性的影响.结果表明:非金属元素是比较容易掺入到锐钛矿TiO_2(101)表面,掺杂表面对NH_3分子吸附较未掺杂的表面要好,表面吸附NH_3分子后,吸附距离都出现缩短,C-N元素掺杂后吸附距离最小且吸附能最大;通过Mulliken电荷布居分布分析,C掺杂提升了表面的氧化性,N元素对表面的氧化性提升不明显,而F掺杂降低了表面的氧化性;通过态密度分析可知,C掺杂在禁带中产生了受主能级,而N掺杂提高了价带顶的电子态密度,F掺杂在导带底产生了施主能级;通过光学性质的分析可知:C掺杂提升了材料对低能可见光的响应,使材料对570 nm～760 nm范围内的可见光吸收提高了大约3.5倍;而C-N双掺杂体系,使材料对400 nm～570 nm范围内的可见光吸收提高了大约3倍.总的来说,单掺杂C元素以及双掺杂C-N元素都能明显的提高材料的光学气敏传感特性.     

非金属元素掺杂锐钛矿TiO_2(101)表面对提升NH_3光学气敏传感特性的影响

本文采用第一性原理平面波超软赝势的方法,模拟计算了含氧空位锐钛矿TiO_2(101)表面单掺杂非金属C元素、N元素、F元素以及双掺杂C-N元素、C-F元素、N-F元素后表面的氧化还原能力,分析对NH_3分子吸附的微观机理,研究杂质掺入对光学传感特性的影响.结果表明:非金属元素是比较容易掺入到锐钛矿TiO_2(101)表面,掺杂表面对NH_3分子吸附较未掺杂的表面要好,表面吸附NH_3分子后,吸附距离都出现缩短,C-N元素掺杂后吸附距离最小且吸附能最大;通过Mulliken电荷布居分布分析,C掺杂提升了表面的氧化性,N元素对表面的氧化性提升不明显,而F掺杂降低了表面的氧化性;通过态密度分析可知,C掺杂在禁带中产生了受主能级,而N掺杂提高了价带顶的电子态密度,F掺杂在导带底产生了施主能级;通过光学性质的分析可知:C掺杂提升了材料对低能可见光的响应,使材料对570 nm～760 nm范围内的可见光吸收提高了大约3.5倍;而C-N双掺杂体系,使材料对400 nm～570 nm范围内的可见光吸收提高了大约3倍.总的来说,单掺杂C元素以及双掺杂C-N元素都能明显的提高材料的光学气敏传感特性.     

过渡金属Cu、Cr掺杂TiO2表面氧化性气体NO2光学气敏传感特性

采用密度泛函理论（DFT）体系广义梯度近似（GGA）第一性原理平面波超软赝势方法,分析锐钛矿型TiO₂（101）表面吸附NO₂分子光学气敏传感的微观机理.结果表明：Cu和Cr原子易于掺入TiO₂（101）表面,掺杂表面能稳定地吸附NO₂分子且吸附后光学性质发生显著变化.表面吸附NO₂分子后,Cu掺杂TiO₂（101）表面对分子的吸附能最大,吸附后结构更稳定,分子与表面的距离最短.通过分析差分电荷密度和电荷布居数发现,NO₂分子与基底表面间发生电荷转移,转移电子数目：Cu掺杂表面 > Cr掺杂表面 > 无掺杂表面.对比吸收光谱和反射光谱发现,在Cu掺杂表面吸附分子后,光学性质变化最明显,说明表面与吸附分子间氧化还原能力是决定光学气敏传感性能的核心因素.在过渡金属中,Cu与Cr都有4s价电子结构,其4s电子降低了材料表面氧空位的氧化性,增加了其还原性.对于氧化性气体,可以提升表面与分子的氧化还原作用,而Cu的4s电子更加活泼,从而光学气敏传感特性更加明显.因此,Cu掺杂的TiO₂对氧化性气体是一种较好的光学气敏传感材料.     

表面非金属掺杂对锐钛矿相TiO2(101) 面吸附NH3特性的影响

采用基于密度泛函理论(DFT-D)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了被不同非金属（B、C、N、F）掺杂的TiO2(101)表面吸附NH3的特性与作用机理。研究发现：被非金属掺杂后的表面对NH3的吸附效果要优于未掺杂表面。不同元素掺杂对比发现：C掺杂后的表面吸附能最大,稳定后吸附距离最小,为最稳定吸附结构。通过Mulliken电荷分布和分态密度的分析,得到了不同吸附条件下NH3在TiO2掺杂表面的催化氧化还原作用机理,并发现各模型吸附能的不同是由于掺杂（X）位原子与NH3分子的相互作用强弱不同所造成。掺杂原子在费米面附近的电子态密度贡献越强,掺杂原子与NH3分子电荷转移的净值越小,吸附距离越小,吸附能越大,吸附更稳定。     

Adsorption geometry of PTCDA on 2H-NbSe2

Low-temperature scanning tunnelling microscopy of submonolayers of PTCDA adsorbed on 2H-NbSe₂ reveals an adsorbate layer that is neither commensurate with the substrate lattice nor with the charge density wave periodicity. The observed smallness of deviations from the PTCDA bulk-state unit-cell dimensions indicates that PTCDA film formation is dominated by intermolecular interactions rather than by interaction between PTCDA and 2H-NbSe₂. PACS 61.66.Hq; 68.35.Bs; 68.37.Ef; 68.43.Fg     

石墨烯与二氧化氮的吸附特性研究

由于石墨烯的二维结构以及其超高的比表面积，因此石墨烯可以感应到一个分子量级的变化，这使得其在气体传感方面具有很大的优势。文章通过计算和分析了石墨烯与二氧化氮的系统的能带结构，态密度和电荷分布情况来说明石墨烯吸附二氧化氮后的特性变化。这有助于进一步了解了石墨烯的特性，同时进一步推动石墨烯传感的发展。     

石墨烯与二氧化氮的吸附特性研究

由于石墨烯的二维结构以及其超高的比表面积,因此石墨烯可以感应到一个分子量级的变化,这使得其在气体传感方面具有很大的优势.文章通过计算和分析了石墨烯与二氧化氮的系统的能带结构,态密度和电荷分布情况来说明石墨烯吸附二氧化氮后的特性变化.这有助于进一步了解了石墨烯的特性,同时进一步推动石墨烯传感的发展.     

水在二氧化钚表面吸附行为的模拟

采用Kinetic Monte Carlo方法对水在PuO₂表面的吸附行为进行数值模拟研究,通过对Statebake,Haschke等的实验数据进行数值拟合得到水的脱附活化能:0~0.5层为200 kJ·mol^-1,0.5~1层为135 kJ·mol^-1,1~2层为47·6 kJ.mol^-1,2~3层为43.8 kJ·mol^-1,3层以后为41.1 kJ·mol^-1;采用这些参数对不同升温速率下的热脱附谱以及不同温度、水分压下的吸附等温线和等压线进行预测.     

N2在页岩干酪根上的吸附特征

采用密度泛函理论的wB97XD方法、RDG函数方法和counterpoise correction理论,研究氮气在干酪根C₂₈H₁₄O和氮掺杂干酪根C₂₇H₁₄ON上的吸附特征。结果表明：N₂在干酪根上的活性吸附位点为苯环上方中心位置,吸附能在8~10 kJ·mol^-1之间,N₂和干酪根之间的相互作用主要是范德华相互作用和空间排斥作用。氮掺杂改变了干酪根的构型和电子云分布,导致含氮杂环不再是稳定的活性吸附位点,增强了排斥作用,使吸附能略有减小。研究结果对理解干酪根吸附小分子的特征有重要意义,能够为页岩气的开采提供理论支持。     

Adsorption of UO2 2+ from Aqueous Solutions by Inorganic Exchangers

Various natural and treated clays as well as some synthetic exchangers have been used to remove UO₂ ²⁺ from aqueous solutions. Different factors which affect the adsorption process such as time, pH, competing ions … etc were studied. The mechanism of adsorption was found to be under film diffusion control. It was concluded that the naturally occuring clays are suitable as adsorbent for UO₂ ²⁺ and their capacities are comparable, if not better than those treated clays or synthetic exchangers.

Es werden unterschiedliche natürliche und vorher behandelte Tonarten als auch einige synthetische Anstauschcr zur Abtrennung von UO₂ ²⁺ aus wäβrigen Lösungen eingeselzt. Verschiedene Faktoren, die den Adsorptionsprozeβ beeinflussen, wie die Zeitdauer, der pH-Wert, andere konhurrierende Ionen u. ä. m. wurden untersucht. Es stellte sich heraus, daβ der Adsorptionsmechanismus durch eine Filmdiffusion kontrolliert wird. Dienatürlich vorkommenden Tonesind durchaus als Adsorbentien fur UO₂ ²⁺ geeignet und ihre Aufnahmekapzitäten sind vergleichbar, wenn nicht mit unter besser als jene, die bei behandelten Tonen oder synthetischen Austauschem gefunden werden.     

Nickel Adsorption on Bi2Se3 Surface

Physics of the Solid State - The effect of the physical adsorption of nickel on a surface of a topological Bi2Se3 insulator on the electronic structure has been studied. The influence of the...     

SiO2微球表面吸附PDADMAC的研究

研究了SiO2 微球表面吸附聚阳离子电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵PDADMAC的吸附等温线分别随溶液NaCl浓度、pH值和温度的变化趋势 ,以及不同 pH值下的Zeta电位 .测试结果表明 ,聚电解质在SiO2 微球表面的吸附分别随盐浓度和pH值的增加而增加 ,该吸附属于Langmuir型 .随着PDADMAC吸附量的增加 ,SiO2微球的等电点逐渐向碱性范围移动 .在碱性条件下 ,吸附PDADMAC的SiO2 微球显示良好的分散稳定性 .XPS分析显示 ,SiO2 微球表面吸附PDADMAC后含氮 ,其N1s结合能为 4 0 1.7eV .O1s谱含两个峰 ,分别对应低结合能的SiO2 结构氧和高结合能的吸附氧 .当SiO2 微球表面吸附PDADMAC后吸附氧部分的O1s峰增加 .     

Adsorption and solution of H2 and N2 by Ta and Nb

The condensation and desorption kinetics of H₂ and N₂ on polycrystalline wires of Ta and Nb are examined for solute concentrations between 0.1 and 100 monolayers. Accurate comparisons of adsorbate densities and sticking coefficients on Ta, Nb, Mo and W are obtained by making simultaneous measurements on all four substrates in the same vacuum system. Desorption exhibits second order kinetics for all substrates at all coverages. Desorption activation energies are higher on Ta and Nb than on W and Mo for both gases. Diffusion limited desorption is observed for H₂ at high heating rates. Solution of H₂ occurs at measurable rates (s ? 0.01) in Ta and Nb even at 78 °K while for N₂ no solution is observed for T < 600 °K.