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.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．13(2014)133101光学气敏材料金红石相二氧化钛(11O)面吸附CO分子的微观特性机理研究冰朱洪强冯庆十(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目收到；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

2、原理平面波超软赝势方法，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0原子的Ti02(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C0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

3、词：光学气敏材料，金红石，CO，密度泛函理论PACS：31．15．A一，71．15．Dx，71．15．Mb，71．15．一mDOI：10．7498／aps．63．133101气环境净化[，】、废水处理[0]、光催化(7]以及太阳能1引言电池IsJ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TiO2表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

4、指标，有着极其重要的意义．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TiO2(110)晶面为最稳定的吸附面．肖冰等人[15j气体成分及浓度的传感器．因此，对光学气敏材料计算了金红石相TiO2(110)表面性质及STM形的研究，成为气体传感器方面新的研究方向和

5、热点领域．态模拟，发现(110)表面的STM形貌凸起部分来金红石相TiO2是重要的宽禁带n型过渡金属自Ti原子，表面存在较多氧空位．CO[16J只在氧化物半导体材料(3．0eV【】)．自1972年Fujishi—有氧空位的金红石相TiO2(110)表面才会被氧化．ma和Honda发现了光照金红石相TiO2电极能分Dan[ir1和汪洋[18,19】等人也发现CO和NO容易在解水后人们对TiO2光催化分解水制氢气【。]、空有缺陷的金红石相TiO2(110)表面吸附，且NO气国家自然科学基金(批准号：61274128，61106129)和重庆市自然科学基金

6、(批准号：CSTC2013JCYJA0731)资助的课题t通讯作者．E—mail：fengq_126@163．corn◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyt劬：／／wulixb．hy．ac．cn1331O1．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．13(2014)133101将三种模型吸附前后的距离归纳于表1，可以3结果与讨论发现以下特点：第一，在完整金红石相TiO2(110)表面，不论3．1吸附微观模型哪种放置方式，CO分子与表面的距离都出现了增CO分子以O端向下、C端向下和水平放置吸加，说明CO不容易

7、被完整金红石相TiO2(110)表附于完整金红石相TiO2(110)表面的二配位的o2。面吸附，有远离表面的趋势．(O)顶位，优化后如图3(a，)1(b，)j(C)所示．第二，在有氧空位的金红石相Ti02(110)表面，C0分子以不同方式放置吸附于含一个O空位缺陷和含两个O空位缺陷的TiO2(110)表面，优能量优化后，CO分子与表面的距离都出现的缩短，化后分别如图4(a，)j(b，)1(C)和图5(a，)j(b，)j(C)说明在有氧空位的条件下，CO会被Ti02(110)表所示．面吸附．表1CO分子以不同方式放置吸附于金红石相TiO2(110)表面

8、吸附前后距离第三，氧空位浓度越大，最终分子与表面距离从表2中可以看出，CO分子吸附于完整金红越短，说明增大氧