金红石相TiO_2(110)面吸附H_2S分子光学气敏效应的微观机制与特性

光学气敏材料吸附气体分子后导致光学性质发生变化,运用这一原理来检测环境中的气体成分,称为光学气敏效应。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,研究了光学气敏材料金红石相TiO2(110)表面吸附H2S分子的微观特性,计算了TiO2(110)表面吸附能、电荷密度、态密度和光学性质的变化。结果表明,TiO2最稳定的表面是终止于二配位O原子的(110)面,只有含有氧空位的表面才能稳定吸附H2S,且氧空位比例越高,越有助于H2S吸附于表面;表面吸附H2S以水平吸附方式为主,在氧空位比例达到33%时,吸附能为0.7985eV;吸附的实质是表面氧空位具有氧化性,氧化了H2S分子。在可见光400~760nm范围内,存在氧空位的TiO2(110)表面吸附H2S后都可改善表面的光学性质。氧空位缺陷浓度越高,改善材料对可见光的吸收和反射能力越强,光学气敏响应能力越佳。