二氧化钛与水界面的理论研究进展.PDF

中国科学: 化学 2015 年 第45 卷 第8 期: 755 ~ 764 《中国科学》杂志社 SCIENTIA SINICA Chimica SCIENCE CHINA PRESS 评 述 中国科学院学部 科学与技术前沿论坛 理论与计算化学发展战略专题 二氧化钛与水界面的理论研究进展 ①② ② ② ② ① ②* 唐振坤 , 殷文金 , 耿巍 , 闻波 , 张登玉 , 刘利民 ① 光电信息技术湖南省应用基础研究基地; 衡阳师范学院物理与电子信息科学系, 衡阳 421008 ② 先进功能材料与绿色能源实验室; 北京计算科学研究中心, 北京 100084 *通讯作者, E-mail: limin.liu@ 收稿日期: 2015-04-07; 接受日期: 2015-06-23; 网络版发表日期: 2015-07-21 doi: 10.1360/N032015-00051 摘要 二氧化钛(TiO )具有优良的电学性能和独特的光学性质, 在光学材料、光电化学和 关键词 2 光电池、光催化和环境治理等方面具有广泛的应用前景. 然而, 这些功能的实现都离不开周 二氧化钛 水分子吸附 围的水环境, 因此关于 TiO2 与水界面相互作用问题的研究至关重要. 随着当前理论计算方 光催化 法和计算机计算能力的提高, 人们可以在原子层次来深入讨论和理解 TiO2 与水界面问题. 溶剂化模型 采用第一性原理的量子化学计算方法, 可以研究和解决 TiO2 与水界面的一些根本问题, 如 界面处水分子吸附结构和水分子与 TiO2 表面相互作用动力学行为. 本文中, 我们系统回顾 了TiO2 与水界面的第一原理计算的研究进展, 并展望了固液界面理论计算模拟领域的发展 前景. 1 引言 众所周知, 固体氧化物与水界面的特性取决于 氧化物表面与水之间的相互作用以及水与水之间相 从新能源和环境保护的角度考虑, 氢能是一种 互作用的竞争平衡关系. 其中, 固体氧化物表面与水 可再生的绿色能源. 但是传统的氢气制备方法, 要消 之间的相互作用依赖于所选取的氧化物表面的几何 耗大量的常规能源, 严重限制了氢能的推广利用. 早 结构和电子性质, 而水与水之间则通过氢键而产生 在 1972 年, 日本东京大学Fujishima 和 Honda 教授[1] 相互作用. 深入理解这两种相互作用, 是研究固体氧 就报道了 TiO2 单晶电极光催化分解水从而产生氢气 化物表面水分子的结构和动态特性的关键. 尽管目 这一现象, 开启了利用催化剂光解水制氢研究的新 前人们在氧化物与水界面这方面做了大量的研究工 领域. TiO2 具有低廉的成本、较强的催化活性、较好 作, 但是在原子尺度上研究和探索氧化物与水界面 的化学稳定性以及较高的光生载流子寿命等特性, 的性质仍然是一个具有挑战性的课题, 还有一些重 是目前研究最多的半导体光催化材料[2,3]. 值得注意 要问题(如水分子怎样在氧化物表面吸附和解离? 水 的是, 在自然条件下的所有 TiO2