Enhanced Visible Light Photocatalytic Activity for TiO2 Nanotube Array Films by Codoping with Tungsten and Nitrogen
采用阳极氧化结合水热处理的方法制备了一系列不同掺杂剂含量的W、N共掺杂TiO 2纳米管阵列。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱学和紫外-可见光漫反射光谱对样品进行了表征。以亚甲蓝为目标染料,在可见光照射下考察了W、N共掺杂TiO 2纳米管阵列的光催化活性。
2013-12-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Surface diffusion control of the photocatalytic oxidation in air/TiO2 heterogeneous reactors
超氧阴离子自由基在TiO2催化剂表面的扩散是有毒污染物光催化氧化反应动力学的重要步骤。详细分析了旋转、阴离子和吸附键振动对扩散系数的影响。的TiO 2表面的晶格参数上的扩散率的共振依赖性被发现,显示最快速的扩散发生时,晶格参数的两倍大于超氧阴离子自由基的键长。而垂直于催化剂表面的旋转和振动是重要的,阴离子键振动不影响扩散性,由于其低振幅相比,晶格参数。
2015-06-14 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Water dissociation on pristine low-index TiO2 surfaces
原始低折射率TiO $_2$界面上的水吸收和解离过程很重要,但除了研究充分的金红石(101)和金红石(110)之外,人们对其了解甚少。为了理解这些,我们构建了三套机器学习的潜力,同时适用于各种TiO $_2$表面,基于三个密度泛函理论近似。我们计算了七种TiO $_2$表面的水解离自由能,预测了TiO(100)、TiO(110)、TiO(001)和TiO(011)表面有利于水解离,TiO(101)和TiO(100)表面主要是分子吸附,而计算的金红石(110)表面上的解离分数可能取决于假定的密度泛函。此外,使用自动化算法,我们发现,这些表面遵循不同类型的质子转移和水解离的原子机制:一步,两步,或两者兼而有之。因此,我们的发现表明,不同的原始TiO $_2$表面以不同的方式与水反应,并且不能仅用低能的金红石(101)和金红石(110)表面来表示。
2023-03-13 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Photocatalytic reduction and scavenging of Hg(II) over templated-dewetted Au on TiO$_2$ nanotubes
金修饰的TiO $_2$纳米管用于光催化降解水溶液中的Hg(II)。相对于裸TiO $_2$,去湿Au纳米粒子的存在诱导了光催化还原和清除性能的强烈增强。在氯化物的存在下,大量形成的Hg2Cl2纳米线,从金纳米粒子,观察到使用高Au负载的光催化剂处理10 ppm的Hg(II)的溶液。EDS和XPS证实了光产生的纳米线的性质。在不存在氯化物和/或在较低的Hg(II)起始浓度下,汞的清除通过形成Hg-Au汞齐进行。太阳光驱动的Hg(II)脱汞24小时后观察到高达90%。ICP-MS分析表明,被去除的Hg(II)积累在光催化剂表面上。负载汞的排气光催化剂的再生容易通过阳极剥离Hg(0)和Hg(I)至Hg(II)来进行。四个催化再生循环后,仅观察到活性降低10%。
2020-04-14 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Computational Study of Transition-Metal Substitutions in Rutile TiO$_2$ (110) for Photoelectrocatalytic Ammonia Synthesis
通过光催化和电催化合成氨是一个快速发展的领域。基于二氧化钛的催化剂被广泛报道用于光催化氨合成,并且还被建议用作电催化剂。添加过渡金属掺杂剂是改善二氧化钛基催化剂性能的一种策略。在这项工作中,我们筛选d-块过渡金属掺杂剂的表面位点的稳定性和评估的趋势,在其性能的活性位点的氮还原为氨的TiO $_2$。我们发现d带中心与掺杂位的形成能之间存在线性关系,而N $_2$、N $_2$ H和NH $_2$的结合能都与掺杂金属的结合能有很强的相关性.以NH $_2$和N $_2$ H能量作为描述符,金属掺杂体系的活性表现出火山型关系.一些金属如Co、Mo和V被预测略微改善光催化和电催化性能,但大多数金属抑制氨合成反应。这些结果提供了对过渡金属掺杂剂促进氨合成的作用的深入了解,并且这些趋势是基于意想不到的电子结构因素,这些因素可能对单原子催化和掺杂氧化物具有更广泛的影响。
2019-12-11 physics.chem-ph
Influence of Ti$_3^+$ Defect-type on Heterogeneous Photocatalytic H$_2$ Evolution Activity of TiO$_2$
还原钛白最近吸引了大量的关注,特别是其独特的无助催化剂的H $_2$多相光催化应用。还原后的TiO $_2$的光催化活性增强以前归因于点晶体缺陷(主要是Ti $_3^+$中心)的引入,这导致形成本征助催化中心和增强的可见光吸收。本文系统地研究了TiO $_{2-x}$晶格中不同缺陷对光催化H $_2$演化的影响。为了引入不同类型的缺陷,在空气(氧化性)、Ar(惰性)、Ar/H $_2$(还原性)和H $_2$(还原性)气氛中对可商购的纳米粉末进行热退火。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)对粉体进行表征,以阐明处理对材料性能的影响。利用电子顺磁共振(EPR)谱对缺陷类型进行了表征。我们表明,在不同的气氛中的热退火可以形成不同数量的不同类型的缺陷在TiO $_2$结构。最高的光催化活性是通过在还原性气氛中将纳米粉末退火适当的温度/退火时间来实现的。通过结合从H $_2$产生和EPR分析的结果,我们表明,同时存在两种类型的缺陷,即表面暴露的Ti $_3^+$和晶格嵌入的Ti $_3^+$中心,在一个最佳的低浓度,是优化的光催化H $_2$演变率的决定因素。事实上,在还原性气氛中,在所报道的优化条件下退火预处理粉末导致产生相当大量的H $_2$,速率高达338 $μ$ molh-1g-1。
2020-04-14 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Water reactions on reconstructed rutile TiO$_2$: a DFT / DFTB approach
水与金红石的反应性相互作用还远未得到最终的理解,这对植根于量子力学的原子模拟技术仍然是一个挑战。结果表明,TiO $_2$ /水界面的静态几何结构可以用密度泛函紧束缚理论(DFTB)进行描述.然而,这种方法需要进一步的改进,以重现低解离倾向的H $_2$ O吸附后的密度泛函理论(DFT)预测。水的表面反应性的可靠描述是研究富含Ti的(001)面的非化学计量重构的基础。基于(DFT)的计算预测的转变温度与实验结果非常一致的开始重建,并建议,这个表面,在与液态水接触,可以促进自发H $_2$ O分裂和形成H $_2$分子。
2021-02-04 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Design of dye-sensitized TiO$_2$ materials for photocatalytic hydrogen production: light and shadow
可见光驱动的燃料和增值化学品的生产是目前各科学学科研究最激烈的研究课题之一,因为它有可能减轻世界对化石燃料的依赖。在这个角度来看,我们概括了一些染料敏化光催化系统的主要特点,旨在太阳能H $_2$生产,特别是集中在TiO $_2$为基础的三组分组件与有机敏化剂。相关方面包括敏化剂的结构和电子性质、半导体和析氢催化剂的性质、牺牲供体的作用以及反应参数对H $_2$产率和稳定性的影响。除了介绍该领域最重要的最新发展外,我们还分析了实验设计,实验室程序和数据呈现方面的一些常见做法,试图突出其弱点并提出可能的改进建议。最后,我们用一个简短的段落来讨论这个令人兴奋的研究领域未来可能的发展。
2022-12-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
The effects of copper doping on photocatalytic activity at (101) planes of anatase TiO2: A theoretical study
铜掺杂剂通过不确定的机制被不同地报道为增强钛白表面的光催化活性。为了解释铜掺杂如何改变钛白光催化剂在水介质中的性能,我们应用密度泛函理论方法模拟掺杂的二氧化钛(101)面的表面单元。通过包括范德华相互作用,我们认为在原始和铜掺杂系统的表面吸附水的能量。模拟结果表明,Cu掺杂剂在Cu(101)表面的2+氧化态和分散构型是最稳定的,这表明二次CuO相的形成在能量上是不利的。与以前的报告一致,在研究表面的水预测表现出分子吸附,这种趋势略有增强铜。结果表明,通过Cu掺杂的增强的光活性在Cu2+表面是更有可能产生介导的电荷转移和带隙间状态增加光激发和延长表面空穴寿命,而不是通过增加的密度吸附的羟基的电子相互作用。
2018-11-22 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
First-principles Hubbard U and Hund's J corrected approximate density-functional theory predicts an accurate fundamental gap in rutile and anatase TiO2
钛白(TiO $_2$)对近似Kohn-Sham密度泛函理论(KS-DFT)及其Hubbard修正扩展DFT+ $U$提出了长期的挑战。我们发现,先前提出的扩展的第一原理DFT+ $U$纳入洪德的$J$校正,称为DFT+ $U$ + $J$,结合使用最近提出的线性响应理论计算的参数,预测基本带隙准确以及在金红石和金红石TiO $_2$的实验不确定性。我们的方法建立在已建立的研究结果,哈伯德修正钛$3d$和氧$2p$在TiO $_2$子空间,象征性地给出DFT+ $U^{d,p}$,是必要的,以实现可接受的带隙使用DFT+ $U$。当包含Hund的$J$第一原理时,该要求仍然存在。我们还发现,即使使用子空间特定的第一性原理$U$和$J$参数时,计算出的间隙取决于相关的子空间定义。使用最简单合理的相关子空间定义和基本功能,局部密度近似,我们表明,高精度的结果,从使用一个相对简单的形式的DFT+ $U$ + $J$功能。对于闭壳层系统,如TiO $_2$,我们描述了如何各种DFT+ $U$ + $J$泛函减少到DFT+ $U$适当修改的参数,使可靠的带隙可以计算金红石和金红石没有修改传统的DFT+ $U$代码。
2020-06-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.chem-ph
Adsorption of maleic acid monomer on the surface of hydroxyapatite and TiO2: a pathway toward biomaterial composites
聚(苯乙烯-alt-马来酸)吸附羟基磷灰石和二氧化钛(金红石)进行了研究,使用实验技术和补充的\textit{ab initio}模拟吸附的马来酸链段作为一个亚基的共聚物。从头计算表明,马来酸段形成一个强大的共价键的TiO 2和羟基磷灰石表面。如果与真空相比,溶剂的存在会随着溶剂极性的增加而显著降低吸附强度。第一性原理计算结果与实验测量结果相吻合。我们发现,吸附的聚(苯乙烯-alt-马来酸)允许有效的分散金红石和电泳沉积膜的形成。此外,金红石可以与羟基磷灰石共分散共沉积形成复合膜。该涂层显示出金属植入物在模拟体液溶液中的增强的腐蚀保护,这为用于生物医学应用的先进复合材料的合成、分散和胶体加工开辟了新的途径。
2018-08-07 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
A computational investigation of H2 adsorption and dissociation on Au nanoparticles supported on TiO2 surface
讨论了负载在金红石型TiO_2(110)表面上的金纳米粒子在H_2吸附和解离过程中所起的特殊作用。结果表明,H2在n = 1,2,8和20的Au_n团簇上的分子吸附和解离吸附取决于团簇的尺寸、几何结构、团簇的柔性以及与载体材料的相互作用。金红石型TiO_2(110)载体对金团簇上的H_2解离有很强的促进作用。它表明,对H2解离的活性位点位于角落和边缘上的支持物附近的金纳米粒子的表面上。TiO2(110)表面上的低配位氧原子对H2解离起着至关重要的作用。因此,负载在金红石TiO2(110)表面上的金纳米颗粒的催化活性与纳米颗粒和载体之间的周边界面的长度成比例。
2011-08-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus
Machine Learning, Density Functional Theory, and Experiments to Understand the Photocatalytic Reduction of CO$_2$ by CuPt/TiO$_2$
结合从头算、机器学习与实验,揭示了CuPt/TiO$_2$界面在稳定CO$_2$及含碳中间体、提升甲烷选择性与活性中的关键作用。
2024-02-16 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
A Theoretical Investigation of the Thermal and Photochemical Mechanisms of Ethylbenzene Dehydrogenation on Rutile TiO$_{2}$(110)
University of Oldenburg(奥尔登堡大学)
本研究通过量子化学方法探讨乙苯在金红石TiO$_{2}$(110)表面热力学与光化学脱氢机理,揭示了光化学路径中质子耦合电子转移(PCET)主导,并发现表面氧化对反应机制有根本性影响。
2026-04-29 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Ab Initio Mechanisms and Design Principles for Photodesorption from TiO${}_2$
本研究应用多体微扰理论计算金红石TiO2表面质子光致脱附过程,发现光激发导致脱附能降低逾50%并产生势垒,基于Fano理论构建模型解释激子效应,为光催化反应设计提供新原理。
2025-03-05 physics.chem-ph physics.comp-ph
Photocatalytic water oxidation on SrTiO$_3$ [001] surfaces
SrTiO $_3$是一种高效的光催化剂,用于紫外光照射下的整体水裂解反应。然而,负责氧化和还原反应的活性表面位点的原子水平的理解仍然缺乏。在这里,我们提出了一个统一的实验和计算帐户的光催化活性在SrO-和TiO $_2$ -终止的水溶剂化[001] SrTiO $_3$。我们的实验结果表明,只有当两个终端同时暴露于水的SrTiO $_3$表面上进行的整体水裂解反应。我们的模拟解释了这一点,表明光生空穴驱动的氧化主要发生在SrO表面在一个序列的四个单一的空穴转移反应,而TiO $_2$终止效果的关键带对齐的光催化剂相对于水的氧化电位。目前的工作阐明了SrTiO $_3$表面的两个化学终端的相互依赖性,并随之产生的影响,最大限度地提高可持续的太阳能驱动的水分解。
2022-01-31 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Predicting the suitability of photocatalysts for water splitting using Koopmans spectral functionals: The case of TiO$_2$ polymorphs
École Polytechnique Fédérale de Lausanne(洛桑联邦理工学院);Paul Scherrer Institute(保罗谢尔研究所)
本文提出利用Koopmans光谱功能高效预测TiO₂多形体的带结构和能级匹配,为评估新型光催化剂提供新方法。
2026-03-23 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Formation and dynamics of small polarons on the rutile TiO$_2$(110) surface
电荷俘获和极化子的形成是过渡金属氧化物化合物中的普遍现象,特别是在表面,影响宿主材料的基本物理性质和功能。在这里,我们调查通过第一原理技术的形成和动力学的小极化子的还原表面上的钛白,一个原型系统的极化子,在很宽的范围内的氧空位浓度。我们报告如何极化子的基本特征,可以充分考虑在几个数量:当地的结构和化学环境,带负电荷的极化子和带正电荷的氧空位之间的相互作用的吸引力,和自旋相关的极化子-极化子库仑排斥。我们结合分子动力学模拟的实际样品来自实验观察与简化的静态模型,旨在解开各种变量在发挥作用。我们发现,取决于特定的捕获位置,可以形成不同类型的极化子,具有不同的轨道对称性和不同程度的本地化和结构扭曲。能量最稳定的极化子位点是欠配位表面Ti原子下方的亚表面Ti原子,因为扭曲晶格的能量成本很小,并且具有合适的静电势。极化子-极化子排斥和极化子-空位吸引决定了极化子的空间分布和极化子的能隙态能量。在实验可达到的氧空位浓度的范围内,计算的数据与观测结果非常吻合,从而验证了整体的解释。
2018-05-04 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Optimized FTO seeding enables the growth of high efficient Ta-doped TiO$_2$ nanorod photoanodes
采用一种新的引晶方法在FTO衬底上水热生长了钽掺杂的金红石纳米棒。这种方法允许掺入高达4.8at%的高浓度钽作为活性掺杂,并导致光电化学水裂解速率的显著增强(在+1.5V vsRHE的电势下为1.8mA/cm 2),其对应于约1.5mA/cm 2。在AM 1.5,100 mW/cm 2模拟太阳光照射下,光电流转换效率为1%。
2020-04-14 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Combined Structural and Plasmonic Enhancement of Nanometer-Thin Film Photocatalysis for Solar-Driven Wastewater Treatment
本研究通过结合纳米结构玻璃基底与金属等离激元纳米结构,将TiO₂薄膜表面积提高三倍并提升光学吸收率,显著增强了光催化活性,成功降解有机染料及药物污染物,为可扩展的太阳能驱动废水处理提供了新途径。
2023-06-24 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph physics.optics