表面缺陷对一氧化碳和甲基基团在金红石TiO2(110)表面吸附的影响

本文利用程序升温脱附技术研究了氧空位浓度对甲基基团和CO在R-TiO₂(110)表面吸附的影响. 结果表明,随着氧空位浓度的变化,吸附在桥氧位的甲基基团和吸附在五配位Ti⁴⁺位点上的CO分子的脱附温度呈现了不同的趋势,揭示了表面缺陷可能对R-TiO₂(110)不同位点上的物质吸附具有重要影响.     

甲醇分子在金红石TiO2(110)和锐钛矿TiO2(001)表面吸附和反应的活性位点

通过高分辨的扫描隧道显微术研究并比较了金红石型TiO₂(110)-(1×1)和锐钛矿型TiO₂(001)-(1×4)两种表面的活性位点． 在金红石型TiO₂(110)-(1×1)表面, 观察到氧空位缺陷是O₂和CO₂分子的活性吸附位点,而五配位的Ti原子是水分子和甲醇分子的光催化反应活性位点．在锐钛矿型TiO₂(001)-(1×4)表面,观察到完全氧化的表面,Ti原子更可能是六配位的,H₂O和O₂分子均不易在这些Ti原子上吸附．经还原后表面出现富Ti的缺陷位点, 这些缺陷位点对H₂O和O₂分子表现出明显的活性． 锐钛矿型TiO₂(001)-(1×4)表面的吸附和反应活性并不具有很高的活性,某种程度上其表现出的活性似乎低于金红石型TiO₂(110)-(1×1)表面．     

甲醛在金红石型TiO_2(100)-(1×1)表面的光解离（英文）

本文利用程序升温脱附谱的方法系统研究了甲醛在金红石型TiO_2(100)-(1×1)表面的光解离行为.在升温过程中,甲醛的光解离产物甲酸盐、甲基自由基、乙烯和甲醇均可以被探测到.研究结果表明,甲醛在金红石型TiO_2(100)-(1×1)表面可以形成一个二氧甲基中间体,这被认为是甲醛解离的第一步.该中间体通过羰基氧原子与五配位的钛原子作用,并通过羰基碳原子与邻近的桥氧原子作用.在355 nm紫外光照射下,该二氧甲基中间体可以将氢原子转移至桥氧原子,直接生成甲酸盐,这是甲醛光解离的主要通道.此外,该中间体也可以将亚甲基转移至桥氧列,在五配位钛原子处留下一个氧原子.亚甲基转移之后,诸多反应通道即被打开.因此,桥氧原子参与了甲醛在金红石型TiO_2(100)-(1×1)表面的光解离过程.     

离子速度成像技术研究2-溴戊烷的光解离动力学

运用离子速度成像技术研究了2-溴戊烷分子在～234 nm处的光解离动力学. 通过分析光解产物Br(²P_3/2)(简称Br)和Br(²P_1/2) (简称Br*)的速度影像,分别得到其速度分布和角度分布. Br和Br*的速度分布可以用两个高斯分布拟合,分别对应于2-溴戊烷在～234 nm处两个独立的光解离反应通道. 高能的高斯分量对应于C-Br伸缩振动模式的直接解离,低能的高斯分量对应于弯曲振动和C-Br伸缩振动耦合所导致的解离. 确定出光解离产物Br的相对量子产率为0.892,结合Br和Br*碎片的各项异性参数和溴原子的相对量子产率,讨论了³Q₀、³Q₁和¹Q₁激发态分别对产物Br和Br*的贡献. 通过对比溴代戊烷4种同分异构体光解离过程的差异,讨论了分子烷基分支化对光解机理的影响.     

甲醇在Pt (100)表面吸附与解离的第一性原理研究.

采用基于第一性原理的密度泛函理论结合周期模型方法对甲醇在Pt(100)完整表面的吸附与解离进行了研究. 通过比较不同吸附位置的吸附能与构型参数发现,表面top吸附位为最稳定吸附位,甲醇分子通过氧原子吸附于Pt(100)表面. 同时计算了甲醇分子在top吸附位可能的解离路径,发现在解离过程中OH键首先断裂的路径为最低能量路径. 分解生成的若干产物其吸附稳定性排序为CH₃O>CH₂OH>CH₃>CH₂O.     

CO和O2分子与TiO2(110)表面负载Pt单原子的相互作用

Pt单原子在低温CO氧化反应中具有很高的催化活性. 利用扫描隧道显微术与密度泛函理论，研究了Pt单原子在还原性TiO₂(110)表面的吸附行为及其与CO和O₂分子的相互作用. 研究发现在80 K低温下，TiO₂表面的氧空位缺陷是Pt单原子的最优吸附位. 将CO和O₂分子分别通入Pt单原子吸附后的TiO₂表面，研究相应的吸附构型. 实验表明在低覆盖度下，单个Pt原子会俘获一个CO分子，CO分子同时与表面次近邻的五配位Ti原子(Ti_5c)成键，进而形成非对称的Pt-CO 复合物构型. 将样品从80 K升温到100 K后，TiO₂表面的CO分子会迁移到Pt-CO处形成Pt-(CO)₂的复合结构. 对于O₂分子，单个Pt原子同样会吸附一个O₂分子，O₂分子也会与最近邻或次近邻的Ti_5c原子成键形成两种Pt-O₂构型. 这些结果在单分子尺度上揭示了CO和O₂与Pt单原子的相互作用，呈现了CO与O₂反应中的初始状态.     

Dy@C82分子在Au(111)表面依赖于覆盖度的取向研究

利用超高真空扫描隧道显微镜, 在低温(80 K)下研究了同分异构体分子Dy@C₈₂在Au(111)表面的吸附与分子取向．在低覆盖度下,Dy@C₈₂分子优先吸附于台阶边缘形成分子团簇与分子链结构．这种吸附取决于分子-衬底的相互作用,并存在多种不同的分子取向．增大分子覆盖度后,Dy@C₈₂在金表面形成二维有序密排的单层膜结构．Dy@C₈₂分子在金表面的取向倾向于其C₂长轴与金表面近乎平行．具有三种取向的分子最具优势,而同种取向的分子组成许多局限于一个个小区域内的取向有序结构畴．随着覆盖度的增加,Dy@C₈₂分子在Au(111)表面趋向于短程有序取向排列,这是由分子-衬底作用与分子间的偶极-偶极作用共同决定的．     

甲烷在不同分子筛中吸附的理论对比研究

使用巨正则蒙特卡罗方法研究了CH₄分子在MOR和MFI分子筛中的物理吸附行为, 主要对比研究了这两种分子筛对CH₄分子在不同温度和压强下的物理吸附量、等量吸附热、 分子筛和CH₄以及CH₄和CH₄分子之间的相互作用能等物理量. 研究结果表明:在所有的温度和压力下, MOR分子筛对CH₄分子的吸附性能均优于相应的MFI分子筛, 这表明它是一种比MFI吸附性能更优异的吸附剂材料.从CH₄在这两种分子筛中的等量吸附热随吸附量的变化关系,分子筛和CH₄以及CH₄和CH₄之间的相互作用能分布曲线等角度出发分析了二者有不同吸附行为的原因.     

254nm紫外光诱导Mn2（CO）10的气相光解离沉积动力学

采用石英晶体微量秤技术研究了紫外光诱导Ｍｎ（ＯＨ）１０气相光解离沉积反应，得到Ｍｎ２（ＣＯ）１０气相母体分子浓度与光解离沉积速率呈线性关系，实验结果符合气相分子单光子光解产物形成的速率公式。气相Ｍｎ２（ＣＯ）１０光解离为低配位数的羰基锰，沉积在镀金的石英晶体表面，还研究了不同外加气体下气相Ｍｎ（ＣＯ）１０的光解离沉积速率。     

锐钛矿型TiO2(001)-(1×4)表面还原型缺陷对乙醛偶联反应的作用

本文利用程序升温脱附技术(TPD)研究了乙醛吸附在锐钛矿型TiO₂(001)-(1×4)表面的化学性质. 实验结果表明完整晶格位点对乙醛反应表现极为惰性,而表面上的还原型缺陷位点在热驱动下可有效地使乙醛分子通过碳-碳偶联反应生成2-丁酮和丁烯. 提出了乙醛在锐钛矿型TiO₂(001)-(1×4)表面偶联反应主要是通过表面还原型缺陷位吸附成对的乙醛分子,因为表面已有的钛原子对还原型缺陷为乙醛分子提供了合适的吸附位点.     

Dissociation of liquid water on defective rutile TiO<Subscript>2</Subscript> (110) surfaces using <Emphasis Type="Italic">ab initio</Emphasis> molecular dynamics simulations

In order to obtain a comprehensive understanding of both thermodynamics and kinetics of water dissociation on TiO₂, the reactions between liquid water and perfect and defective rutile TiO₂ (110) surfaces were investigated using ab initio molecular dynamics simulations. The results showed that the free-energy barrier (~4.4 kcal/mol) is too high for a spontaneous dissociation of water on the perfect rutile (110) surface at a low temperature. The most stable oxygen vacancy (Vo₁) on the rutile (110) surface cannot promote the dissociation of water, while other unstable oxygen vacancies can significantly enhance the water dissociation rate. This is opposite to the general understanding that Vo₁ defects are active sites for water dissociation. Furthermore, we reveal that water dissociation is an exothermic reaction, which demonstrates that the dissociated state of the adsorbed water is thermodynamically favorable for both perfect and defective rutile (110) surfaces. The dissociation adsorption of water can also increase the hydrophilicity of TiO₂.     

乙醇在TiO2(110)表面光催化解离的动力学和超快电子动态学 (cited: 2)

采用实时双光子光电子能谱和时间分辨双光子光电子能谱技术分别研究了乙醇在该表面光催化解离的动力学和超快电子动态学过程. 通过测量与乙醇光催化解离相关的电子激发态随时间的演化,发现这个反应满足分型动力学. 乙醇在还原性TiO₂(110)上的光催化解离比在氧化性表面快,这归结于缺陷的存在降低了反应能垒. 这样一个反应的加速过程很可能是与缺陷电子相关的. 通过干涉双脉冲相关的测量,得到了乙醇-TiO₂界面电子激发态的超快动态学. 与甲醇的情况类似,这个电子激发态的寿命为24 fs. 激发态的出现为TiO₂和它周围环境的电子转移提供了一个通道.     

Pyrocatechol as a surface capping molecule on rutile TiO2 (110)

A ‘cap and dip’ method of adsorbing ruthenium di-2,2′-bipyridyl-4,4′-dicarboxylic acid diisocyanate (N3 dye) on a rutile TiO₂ (110) surface was investigated using pyrocatechol as a capping molecule. This method involves cleaning the rutile surface in ultra-high vacuum (UHV), depositing pyrocatechol onto the surface to ‘cap’ the adsorption sites, removing from vacuum, ‘dipping’ in an N3 dye solution and returning to vacuum. Photoemission measurements following the return of the crystal to vacuum suggest that the pyrocatechol keeps the surface free from contamination on exposure to atmosphere. Photoemission spectra also indicate that the pyrocatechol capping molecules are replaced by the N3 dye in solution and that the N3 dye is adsorbed intact on the rutile TiO₂ (110) surface. This technique may allow other large molecules, which are thermally unstable to evaporation in UHV, to be easily deposited onto TiO₂ surfaces.     

水在光诱导制备TiO2(110)表面BBO氧空位过程中的抑制作用 (cited: 1)

利用程序升温脱附谱研究了用266 nm激光在表面制备不同氧空位浓度的方法．实验表明利用266 nm激光能够很容易产生表面氧空位．同样90 s光照,在光子数密度大于6.7×10¹⁶ photons/cm²s的时候,表面氧空位浓度和和光子数密度成线性关系．在光照过程中,没有观测到氧气和钛原子的脱附,表明利用266 nm激光在TiO₂(110)-(1×1)制备氧空位是一种有效而且温和的方式．而在表面提前吸附水利用激光产生氧空位的速率比干净的表面慢了两个数量级．进一步研究表面,预先吸附了水后,在光照过程中水更容易脱附,导致桥氧原子的脱附被抑制,降低了氧空位产生的速率     

Adsorption and reaction of glycine on the rutile TiO2(011) single crystal surface

The adsorption and reaction of glycine on the surface of a rutile TiO₂(011) single crystal has been studied by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Temperature Programmed Desorption (TPD) techniques. Special attention was given to the formation and stability of the zwitterion structure (⁺NH₃–CH₂–COO^?) in comparison to that of the dissociated structure (NH₂–CH₂–COO^?). Both species have been observed on the surface at 300 K. The zwitterion structure was found less stable than the dissociated structure. This is in line with other experimental results related to proline on rutile TiO₂(110) single crystal [13, 14], glycine on rutile TiO₂(110) single crystal [17, 24] and computational results related to glycine on rutile TiO₂(110) single crystal [25]. By 500 K most of the zwitterion structure has been converted to the dissociated one. TPD results indicated that glycine reacts in a similar way to carboxylic acids on this surface with the main decomposition products being ketene (CH₂=C=O). Other masses left unassigned for were also observed during TPD. The most intense being m/e 55 that might be due to =CH–C(O)N=or C(O)N=CH fragments.     

表面羟基辅助甲醛分子在金红石型TiO2(110)表面迁移动力学研究

As the photo-dissociation product of methanol on the TiO₂(110) surface,the diffusion and desorption processes of formaldehyde (HCHO) were investigated by using scanning tunneling microscope (STM) and density functional theory (DFT).The molecular-level images revealed the HCHO molecules could diffuse and desorb on the surface at 80 K under UV laser irradiation.The diffusion was found to be mediated by hydrogen adatoms nearby,which were produced from photodissociation of methanol.Diffusion of HCHO was significantly decreased when there was only one H adatom near the HCHO molecule.Furthermore,single HCHO molecule adsorbed on the bare TiO₂(110) surface was quite stable,little photo-desorption was observed during laser irradiation.The mechanism of hydroxyl groups assisted diffusion of formaldehyde was also investigated using theoretical calculations.     

甲醇/TiO2(110)界面激发态的表征

用光电子能谱的方法研究了甲醇/TiO₂(110)界面的电子结构．在激发波长为400 nm的双光子光电子能谱(2PPE)中,探测到了一个末态能量在费米能级以上5.5 eV的共振信号．之前的研究[Chem. Sci. 1, 575 (2010)]表明,这个共振信号与甲醇在5配位的钛离子(Ti_5c)上的光催化解离相关．双光子光电子能谱同时携带初态和中间态的信息．为此设计了一个调谐激发光波长的2PPE实验以及一个单光子光电子能谱(1PPE)和2PPE对比的实验,结果一致表明这个共振信号来自于未占据的中间态,也就是激发态．能带色散关系测量表明这个激发态是局域的．时间分辨2PPE测得这个激发态的寿命是24 fs．