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

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.13(2014)133101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朱洪强冯庆y(重庆市光电功能材料重点实验室,重庆401331)(重庆师范大学光学工程重点实验室,重庆400047)(2014年2月18日收到;2013年3月17日收到修改稿)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

2、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1.319eV,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.关键词:光学气敏材料,金

3、红石,CO,密度泛函理论PACS:31.15.A–,71.15.Dx,71.15.Mb,71.15.–mDOI:10.7498/aps.63.133101气环境净化[4;5]、废水处理[6]、光催化[7]以及太阳能1引言电池[8]等领域进行了广泛研究,同时还发现TiO2是良好的光学气敏传感材料,表面结构与材料性能CO是在燃料燃烧时伴随产生的有毒性气体,有着紧密联系[9−12].因此,研究金红石相TiO表2少量吸入后就会导致人员伤亡.监测环境中的CO面吸附气体引起光学性质的改变,作为检测气体的气体通常会用到气敏传感器.目前,电阻气敏传感重要指标,有着极其重要的意

4、义.器运用较为成熟,如SnO2,ZnO等.但电阻气敏传崔文颖和Simon等人[13;14]运用基于密度泛函感器远不及光学气敏传感器的灵敏度高,且响应时理论的第一性原理方法计算优化了金红石TiO2间也较长.所谓光学气敏传感器,就是利用光学气(110),(001),(101)晶面的几何结构,发现金红石型敏材料吸附气体,引起材料光学性质的改变来检测TiO(110)晶面为最稳定的吸附面.肖冰等人[15]气体成分及浓度的传感器.因此,对光学气敏材料2的研究,成为气体传感器方面新的研究方向和热点计算了金红石相TiO2(110)表面性质及STM形领域.态模拟,发现(110)

5、表面的STM形貌凸起部分来自Ti原子,表面存在较多氧空位.CO[16]只在金红石相TiO2是重要的宽禁带n型过渡金属氧化物半导体材料(3.0eV[1]).自1972年Fujishi-有氧空位的金红石相TiO2(110)表面才会被氧化.Dan[17]和汪洋[18;19]等人也发现CO和NO容易在ma和Honda发现了光照金红石相TiO2电极能分解水后[2],人们对TiO光催化分解水制氢气[3]、空有缺陷的金红石相TiO(110)表面吸附,且NO气22国家自然科学基金(批准号:61274128,61106129)和重庆市自然科学基金(批准号:CSTC2013JC

6、YJA0731)资助的课题.†通讯作者.E-mail:fengq_126@163.com©2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn133101-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.13(2014)133101体在TiO(110)面吸附后均以N形式脱附.而发现金红石相TiO(110)相对能量最低[22;23],但222Linsebigler等人[20;21]研究了CO在金红石相TiO表面终止原子不同,稳定性也有所差异.四种表2(110)面吸附,并通过实验和计算得到吸附能大

7、概面原子终止结构如图1所示,以A面能量为基准值.然而,目前对于金红石相TiO2(110)面吸附零点,B,C和D面能量相对值为EB=19:65eV,CO分子引起的表面光学性质变化的研究还较少,EC=32:56eV,ED=19:76eV,说明终止于相应的吸附微观机理的解释还比较缺乏.因此,本二配位O2c原子的TiO2(110)面为最稳定表面(C文采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性面).原理平面波超软赝势方法,运用CASTEP软件包模拟计算了光学气敏材料金红石相TiO2(110)表面吸附CO分子的情况,对其几何结构、态密度、光学性质、电荷分布等进行分

8、析,为金红石相TiO2作AB为光学气敏