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.     

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.     

Cr掺杂锐钛矿型TiO_2(001)薄膜中Cr原子的直接观测（英文）

掺杂元素的成像对于理解TiO_2掺杂薄膜的光催化活性是至关重要的.然而,如何在原子尺度上表征掺杂原子与TiO_2晶格之间的相互关联性仍然是一项挑战性工作.本文利用高角环形暗场像/环形明场像扫描透射电镜(HA ADF/ABF-STEM)结合电子能量损失谱(EELS)从[100]晶向上对锐钛矿型Ti02(001)薄膜中掺杂的单个铬原子进行了直接成像.结果表明,Cr掺杂原子同时占据TiO_2晶格中的取代位和填隙位,而其可以用具有原子级分辨的电子能量损失谱元素面分布图(EELS mapping)来成像识别,但在HAADF/ABFSTEM图像中未能被看到.大部分的Cr掺杂原子更倾向于取代TiO_2晶格中的Ti原子.这些结果在原子尺度上为Cr掺杂TiO_2薄膜的掺杂构型提供了直接的证据,同时也表明电子能量损失谱元素面分布图在对掺杂材料的结构表征是个非常出色的技术.     

表面缺陷对一氧化碳和甲基基团在金红石TiO_2(110)表面吸附的影响（英文）

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-TiO_2(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Ti~(4+)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RTiO_2(110)不同位点上的物质吸附具有重要影响.     

3C-SiC(001)-(2×1)表面原子与电子结构研究

采用广义梯度近似的密度泛函理论方法计算了3C-SiC（001）-（2×1）表面的原子及电子结构．计算结果表明,3C-SiC（001）-（2×1）表面为非对称性的Si二聚体模型,其二聚体的Si原子间键长为0.232 nm．电子结构的计算结果表明,在费米能级处有明显的态密度,因此3C-SiC（001）-（2×1）表面呈金属性．在带隙附近存在四个表面态带,一个位于费米能级附近,一个位于费米能级以上5 eV处,另外两个位于费米能级以下的价带中． 关键词： 碳化硅 密度泛函理论计算 原子结构 电子结构     

β-SiC(001)-(2×1)表面结构的第一性原理研究

利用缀加平面波加局域轨道(APW+LO)的第一性原理方法计算了β-SiC(001)-(2×1)表面的原子及电子结构. 原子结构的计算结果表明，与Si(001)-(2×1) 表面的非对称性Si二聚体模型不同，β-SiC(001)-(2×1)表面为对称性的Si二聚体模型，其二聚体的Si原子间键长也较大，为0.269nm. 电子结构的计算结果表明，在费米能级处有明显的态密度，因此β-SiC(001)-(2×1)表面呈金属性. 在带隙附近存在四个表面态带,其中的两个占有表面态带已由价带的同步辐射光电子能谱实验得到证实. 关键词： 碳化硅 缀加平面波加局域轨道方法 原子结构 电子结构     

Order-disorder transition on Si(001): c(4 × 2) to (2 × 1)

A phase transition between c(4 × 2) and (2 × 1) structures on the clean Si(001) surface has been observed at about 200 K by low energy electron diffraction. From the temperature dependence of the width and intensity of the diffraction spots this transition is concluded to be a second order order-disorder transition. The transition proceeds by a single stage, which is in strong contrast with the case of Ge(001) for which a two-stage transition has been reported.     

过渡金属掺杂锐钛矿TiO_2(101)表面的改性

采用密度泛函理论的平面波超软赝势方法,对过渡金属Fe,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag和Au的中性原子在锐钛矿TiO_2(101)面上的掺杂改性开展了系统深入的理论研究.通过比较分析锐钛矿TiO_2(101)面掺杂前后的几何结构、电子结构和光学性质等,揭示了宏观催化活性与电子结构、光电子特性之间的关联.结果表明:过渡金属掺杂能减小禁带宽度或引入杂质能级,从而提高TiO_2(101)面的可见光响应;杂质能级通常位于禁带内,这主要是由过渡金属原子的d电子态贡献形成的;不同过渡金属掺杂的TiO_2(101)面具有不同的光催化性能,这与掺杂后的禁带宽度、费米能级位置、杂质能级的形成位置以及过渡金属原子的最外层电子排布等有关.本研究为TiO_2光催化剂结构设计与改性提供了指导性参考,并有利于加深人们对其他材料的过渡金属掺杂的理解.     

V(001)表面上(4×1)-O,(2×2)-S两超结构的角分辨光电子谱

用角分辨紫外光电子谱详细研究了V(001)表面上,S和O偏析引起的(4×1)-O,(2×2)-S两超结构,确定了S,O各自引起的吸附态的峰位和对称性;得到了O占据V(001)表面上空位的实验证据。所得实验结果与理论计算相等。 关键词：     

Bi- and Au-Induced Reconstructions on GaAs（001）-2 × 4 Surface

Submonolayer Bi and Au adsorptions on the GaAs（001）-2× 4 surface are investigated by scanning tunnelling microscopy, low energy electron diffraction and first-principles calculations. The 1 ×4 and 3 × 4 reconstructed surface induced by Bi and Au, respectively, are revealed and their structural models are proposed based on experiments and first-principles calculations. Moreover, the validity of the recently proposed generalized electron counting （GEC） model [Phys. Rev. Lett. 97 （2006） 126103] is examined in detail by using the two surfaces. The GEC model perfectly explains the structural features, such Bi-1 × 4 surface and the 3x arrangement of four-atom Au as the characteristic short double-line structure in the clusters.     

臭氧修饰(001)晶面TiO_2纳米片及其光催化降解甲苯研究（英文）

本文系统研究了臭氧修饰对(001)主导晶面锐钛矿型TiO_2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TiO_2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H_2O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O_2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.     

Critical phenomena in the β-(2×4) → α-(2×4) reconstruction transition on the (001) GaAs surface

The critical exponents of the β-(2×4) → α-(2×4) reconstruction phase transition on the (001) GaAs surface are determined experimentally. It is found that the phase transition is analogous to a van der Waals transition. The critical parameters T _c , P _c , and Θ_c have been measured experimentally. The mean field theory is applied, and three-parameter isotherms are obtained that agree with the experimental results at the following values of the parameters: E_st = 0.36 eV, ΔE = 0.18 eV, and E _i = 0.134 eV. Precision measurements of the critical exponents β and δ are carried out. Their values β = 1/8 and δ = 15 indicate that the phase transition is truly two-dimensional.     

H_2O分子在锐钛矿型TiO_2(101)表面的吸附特性与微观机理

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,新峰值在费米能级附近出现,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.     

氮吸附在镍(001)表面上的P(2×2)结构

在总压为5×10^-5托并含有少量氮的氩气中,用能量为500伏、束流为5微安的氩离子轰击镍(001)表面,获得了一个吸附着氮的镍表面。低能电子衍射观察表明,吸附在镍(001)表面上的氮形成了类似于氧和碳吸附(偏析)在镍(001)表面上所产生的P(2×2)结构。对氮吸附在镍面上的键的本质进行了初步的探讨。 关键词：     

Ge(112)-(4×1)-In表面重构的原子结构

用扫描隧道显微镜(STM)研究了亚单层In原子引起的Ge(112)-(4×1)-In表面重构.结合随偏压极性不同而显著不同的STM图象和相应的“原子图象”,为这个重构提出了一个原子结构模型,供进一步研究参考.其中,In原子的吸附位置与它在Si(112)表面的吸附位置一致,但与Al原子和Ga原子在Si(112)表面的吸附位置不同.这个吸附位置的不同主要是由In原子较长的共价键键长引起的 关键词： 表面结构 In Ge 扫描隧道显微镜(STM)     

低能粒子轰击对Si(001)-2×1表面原子行为的影响:分子动力学模拟研究

对１─１００ｅｖ的低能位子轰击Ｓｉ（００１）－２×１表面进行了分子动力学模拟研究，利用二维偶对相关函数分析了低能轰击对表面层原子行为的影响。研究表明，１０ｅＶ，１００ｅＶ粒子的轰击，一方面增强了表面原子形成二聚体的能力，使表面二聚体成键数量增加；另一方面，也使表面原子的排列更趋无序。１ｅＶ的粒子对表面原子行为的影响不大，只是使表面原子的振动加剧。     

锐钛矿(001)表面氧化机理的第一性原理计算研究

基于第一性原理计算,研究了(1×4)重构锐钛矿(001)面的氧化过程和结构,发现了分子氧化和解离氧化两种氧化结构,并研究了氧化过程的反应势垒．通过计算表面的自由能,比较了不同的氧化结构在不同氧化率时的稳定性,并依此绘制该表面氧化结构的相图．同时也研究了晶格应力对氧化结构的影响．研究结果表明,(1×4)重构锐钛矿(001)面的氧化结构和氧化率强烈依赖于温度和压力,且晶格应力也起着重要的作用．     

CO和O_2分子与TiO_2(110)表面负载Pt单原子的相互作用（英文）

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TiO_2(110)表面的吸附行为及其与CO和O_2分子的相互作用.研究发现在80 K低温下,TiO_2表面的氧空位缺陷是Pt单原子的最优吸附位.将CO和O_2分子分别通入Pt单原子吸附后的TiO_2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,TiO_2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O_2分子,单个Pt原子同样会吸附一个O_2分子,O_2分子也会与最近邻或次近邻的Ti_(5c)原子成键形成两种Pt-0_2构型.这些结果在单分子尺度上揭示了CO和O_2与Pt单原子的相互作用,呈现了CO与O_2反应中的初始状态.     

表面非金属掺杂对锐钛矿相TiO_2(101)面吸附NH_3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TiO_2(101)表面吸附NH_3的特性与作用机理.研究发现:被非金属掺杂后的表面对NH_3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NH_3在TiO_2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NH_3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NH_3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.