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.     

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.     

臭氧修饰(001)晶面TiO2纳米片及其光催化降解甲苯研究

本文系统研究了臭氧修饰对(001)主导晶面锐钛矿型TiO₂光催化剂降解甲苯性能的影响. 利用自行搭建的光催化VOCs降解装置对催化剂光降解甲苯的性能进行了测试. 通过多种表征手段,结合原位DRIFTS和DFT计算研究了臭氧表面修饰及甲苯吸附和降解机理. 结果表明,用臭氧进行表面修饰可以显著提高(001)主导晶面TiO₂光催化降解甲苯的性能. (001)晶面上丰富的5c-Ti不饱和配位是臭氧分子的吸附位点,其解离后形成的Ti-O键与H₂O分子结合,在表面生成大量孤立的Ti_5c-OH. Ti_5c-OH 是甲苯分子的吸附位,它的形成显著提高了对甲苯分子的吸附能力. 在光照下Ti_5c-OH与光生空穴结合能形成·OH自由基. 通过臭氧解离产生的O₂也可以与光生电子结合形成超氧自由基. 这些具有强氧化性活性自由基的形成促进了对气相甲苯的光催化降解速率.     

Synchrotron-Radiation Photoemission Study of Growth and Stability of Au Clusters on Rutile TiO2(110)-1×1

利用同步辐射高分辨光电子能谱研究了金团簇在部分还原TiO₂-(1×1)表面的生长和稳定性．价带谱实验结果观察到非常少量金团簇的沉积导致了Ti3+的3d峰完全消失,表明金团簇成核在TiO₂-(1×1)表面的氧缺陷位．Au4f芯电子光电子能谱实验结果证明了TiO₂-(1×1)表面氧缺陷位向金团簇转移电荷．还对比研究了化学剂量比和部分还原的TiO₂-(1×1)表面上金团簇的热稳定性．当金团簇尺寸相近时部分还原的TiO₂-(1×1)表面上金团簇要比化学剂量比的TiO₂-(1×1)面上金团簇稳定;在相同的表面上尺寸大的金团簇要比尺寸小的金团簇稳定．     

TiO2表面氧空位对NO分子吸附的作用

采用程序升温热脱附(TPD)实验方法测定了NO在TiO₂表面吸附后的脱附谱，利用 分子轨道 理论研究了TiO₂吸附NO的原子簇模型及吸附前后的原子簇能级变化.结果表明， NO在TiO₂表面吸附后可在两个峰值温度450 和980 K脱附出N₂.TiO ₂表面经预覆氧处理后，N₂ 的脱附量降低.吸附时NO中的O能够占据TiO₂表面氧空位并与N脱离，而N原子则 相互结合成 为N₂脱附.分子轨道理论计算证明在TiO₂(110)表面能够存在氧空位 并具备吸附NO的结构条件.     

不同氧气流量对直流磁控溅射TiO2薄膜的影响

采用直流反应磁控溅射法,以高纯Ti为靶材,高纯O₂为反应气体,制备了TiO₂薄膜.研究了氧气流量对薄膜结晶取向、表面形貌和光学性能的影响.研究发现,TiO₂薄膜主要呈锐钛矿TiO₂(101)择优取向,当氧气流量较小时,薄膜中还含有金属Ti(100),氧气流量较大时,薄膜含TiO₂(101)和TiO₂(004),成多晶态;薄膜的粗糙度和颗粒大小都随氧气流量的增大而增大;薄膜在400~1100nm可见-近红外波段有较高的透射率并且其吸收峰随着氧气流量的增大而红移,当氧气流量为5sccm时,平均透射率最高.     

不同晶相结构和形貌TiO2负载Ru催化剂的CO选择甲烷化

用水热法得到的钛酸纳米纤维前体,通过不同后处理方法合成了多种纳米结构的TiO₂．采用N₂等温吸附和BET比表面、X射线衍射、透射电镜和能量分散X射线分析表征了TiO₂及负载Ru催化剂的微结构,包括比表面、晶相结构和形貌以及Ru纳米颗粒尺寸分布等．对负载Ru催化剂在富氢条件下CO选择甲烷化反应活性测试表明：金红石相TiO₂和TiO₂-B为载体负载的Ru催化剂比锐钛矿相TiO₂负载的Ru催化剂表现出更高的反应性能．其活性区别说明了不同晶相结构和形貌TiO₂载体与Ru纳米颗粒的相互作用存在差异．     

高能球磨条件下TiO2相变的实验研究

 采用高能球磨法处理二氧化钛（TiO₂）与双氰胺粉末混合物,对不同球磨时间和球磨转速条件下TiO₂的相变进行了研究。利用X射线衍射仪对回收产物的相组成进行表征。结果表明,在700 r/min的高速球磨条件下,TiO₂发生了由锐钛矿相向金红石相和Srilankite高压相的转变,随着球磨时间的增加,Srilankite高压相和金红石相的含量逐步增加并逐渐趋于平衡;进一步提高球磨转速至1 000 r/min,锐钛矿相向Srilankite高压相的转变占主导,更易于形成Srilankite高压相,Srilankite高压相的质量分数可增加至47.8%。     

金红石相和锐钛矿相TiO2本征缺陷的第一性原理计算

采用第一性原理的计算方法, 分别研究了金红石相和锐钛矿相TiO₂各种缺陷态形成的类型, 以及几何结构、生长气氛和Fermi能级位置对缺陷形成能的影响, 从理论上预测产生点缺陷的实验条件. 重点是讨论带电点缺陷的形成能, 并对结果进行适当修正. 研究发现, 本征缺陷的类型和浓度对 TiO₂的性能有一定的影响: 在富O条件下, TiO₂容易形成V_Ti(Ti空位)缺陷; 在富Ti条件下, TiO₂的Ti_i⁴⁺和V_O(O空位)缺陷将大量出现, 形成Schottky缺陷.     

FePc与TiO2(110)及C60界面电子结构研究

基于C₆₀受体和有机分子给体的太阳能电池是目前非常重要的一个研究热点, 利用同步辐射真空紫外光电子能谱(SRUPS) 技术研究了酞菁铁(FePc)与TiO₂(110)及C₆₀的界面电子结构, 以及FePc与C₆₀分子混合薄膜的电子结构. SRUPS价带谱显示, FePc沉积在化学计量比与还原态两种不同的TiO₂(110)表面时, FePc分子的HOMO能级均随FePc厚度的变化发生了移动, 而在化学计量比的TiO₂(110)表面位移较大, 同时发生界面能带弯曲, 说明存在从有机层向衬底的电子转移. 在FePc/C₆₀和C₆₀/FePc界面形成过程中, FePc与C₆₀分子的最高占据分子轨道(HOMO)位移大小基本相同. 由界面能级排列发现, 在FePc与C₆₀的混合薄膜中, FePc分子的HOMO与C₆₀分子的最高占据分子轨道能级差较大, 这有利于提高器件开路电压, 改善器件性能.     

甲醛在金红石型TiO2(100)-(1×1)表面的光解离

We have investigated the photoinduced decomposition of formaldehyde (CH₂O) on a rutile TiO₂(100)-(1×1) surface at 355 nm using temperature-programmed desorption. Products, formate (HCOO^-), methyl radical (CH₃·), ethylene (C₂H₄), and methanol (CH₃OH) have been detected. The initial step in the decomposition of CH₂O on the rutile TiO₂(100)-(1×1) surface is the formation of a dioxymethylene intermediate in which the carbonyl O atom of CH₂O is bound to a Ti atom at the five-fold-coordinated Ti⁴⁺ (Ti_5c) site and its carbonyl C atom bound to a nearby bridge-bonded oxygen (O_b) atom, respectively. During 355 nm irradiation, the dioxymethylene intermediate can transfer an H atom to the O_b atom, thus forming HCOO^- directly, which is considered as the main reaction channel. In addition, the dioxymethylene intermediate can also transfer methylene to the O_b row and break the C-O bond, thus leaving the original carbonyl O atom at the Ti_5c site. After the transfer of methylene, several pathways to products are available. Thus, we have found that O_b atoms are intimately involved in the photoinduced decomposition of CH₂O on the rutile TiO₂(100)-(1×1) surface.     

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.     

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.     

直接观测乙醇分子在TiO2(110)面的光催化过程

利用扫描隧道显微镜研究了在低温(80 K)下乙醇分子在TiO₂(110)面的光解离过程．在这种温度下,大部分乙醇分子都以分子吸附的形式吸附在表面五配位钛位．在紫外光照射之后,乙醇发生了光解离,两种不同的产物特征被探测到．使用针尖操控技术对其中一种产物特征进行了详细的分析,成功了解了它的构成,中间一个五配位钛位吸附的乙醛分子加上位于左右两个不同氧列的羟基构成了这种产物．接着实施了多次光照实验来进一步研究乙醇两种光解离产物特征之间的联系．     

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     

锐钛矿型TiO2(101)面原子几何及弛豫结构的第一性原理计算

采用平面波超软赝势方法计算了锐钛矿型TiO₂(101)面的表面能和表面原子弛豫结构.首先对TiO₂(101)面的6种不同的表面原子终止结构的体系总能量进行了计算,结果表明终止原子为两配位的O原子、次层为五配位的Ti原子的表面结构最为稳定.针对该表面研究了表面能和原子弛豫与模型中原子层数和真空厚度的关系,当原子层数为12层,真空厚度为0.4nm时,表面能收敛度小于0.01J/m².研究发现:表面上两配位的O原子向里移动约0.0012nm,五配 关键词： 第一性原理 2')" href="#">TiO₂ 表面结构 弛豫     

Effect of structure on the photocatalytic activity of Pt-doped TiO2 nanotubes

Highly ordered TiO₂ nanotubes with different tube length were fabricated by anodization using C₂H₂O₄·2H₂O containing 0.5 wt.% NH₄F (electrolyte A) and anhydrous dimethyl sulfoxide containing 1% HF (electrolyte B), respectively. Then cathodic reduction method was used to dope Pt in TiO₂ nanotubes in chloroplatinic acid. The results indicated that cathodic reduction could efficiently platinize TiO₂ nanotubes. Pt-doped TiO₂ nanotubes with the longer length had the higher photocatalytic activity for degrading methyl orange under UV and visible irradiation. The longer tube length has a positive effect on the photocatalytic activity of Pt-doped TiO₂ nanotubes. Besides, as the content of anatase further decreases, the photocatalytic activity drops gradually due to the reduction reaction in the surface area.