扫描隧道显微镜与密度泛函模拟联用:金红石型二氧化钛的表面化学研究

由于二氧化钛在催化领域,特别是在催化光解水方面具有潜在的应用前景,从而受到化学和物理学研究者的广泛关注。尤其重要的是二氧化钛的(110)晶面——尽管其化学行为非常复杂,但是却是一种极易制备且非常稳定的氧化表面。扫描隧道显微镜(STM)对于研究吸附在二氧化钛表面的物质的形貌和反应活性具有突出的优势;然而,只有实现了扫面隧道显微镜和计算机模拟的联用,才能对于表面的催化过程进行成像。

这篇由中国科技大学杨金龙教授撰写的综述文章,概述了扫描隧道显微镜与密度泛函模拟(DFT)联用技术,在研究还原型金红石二氧化钛(110)(1×1)晶面电子结构方面的重要进展;同时,该文也总结了氧气、一氧化碳、二氧化碳、甲醇和乙醇分子在二氧化钛表面的吸附和反应行为。

扫描隧道显微镜可以通过记录正负两种偏压,提供“占有”和“未占有”两种表面状态的信息;这种原理与密度泛函理论相结合,就可以对金红石型表面进行整体性的表面化学成像。晶体的生长过程中,往往会因为溅射和退火形成了氧气或是羟基的空位点,从而产生表面缺陷,而作者正是研究了这种缺陷型的金红石表面与五种小分子(氧气、一氧化碳、二氧化碳、甲醇和乙醇)的作用。

该文中得出的结果可以帮助我们解决这样一个问题:表面的富余电子是定域的还是离域的?扫描隧道显微镜与密度泛函模拟联用技术证明,由点缺陷产生的富余电子是离域的。例如,光解产生的氧气可以以分子态(低浓度下)或是以游离态(高浓度下)吸附在缺陷位点上。然而,很多问题有待进一步讨论,其中包括游离钛原子的物质量效应对于表面化学的影响以及二氧化碳的吸附行为。文中提到的模型中的很多细节,对于研究上述问题及其重要。

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