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Zn吸附到含有氧空位(VO)以及羟基(-OH)的锐钛矿相TiO2(101)表面电子结构的第一性原理计算

马丽莎 张前程 程琳

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Zn吸附到含有氧空位(VO)以及羟基(-OH)的锐钛矿相TiO2(101)表面电子结构的第一性原理计算

马丽莎, 张前程, 程琳

First-principles calculations on electronic structures of Zn adsorbed on the anatase TiO2 (101) surface having oxygen vacancy and hydroxyl groups

Ma Li-Sha, Zhang Qian-Cheng, Cheng Lin
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  • 基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法, 计算了Zn吸附到TiO2(101)清洁表面、含有氧空位(VO)的缺陷表面以及既含有氧空位(VO)又含有羟基(-OH)表面的能量、Mulliken重叠布居数以及电子结构, 并找到了Zn在每种表面的最稳定结构(分别为模型(c), 模型(aI)以及模型(aII)). 通过对三种表面稳定结构的分析、对比发现: 首先, Zn原子吸附到清洁TiO2(101)表面上, 主要与表面氧相互作用, 形成Zn–O共价键; 其次, 当Zn原子吸附到缺陷表面时, 吸附能减小到-1.75 eV, 说明Zn更容易吸附到氧空位上(模型(aI)); 最后, 纵观表面模型的能带结构以及态密度图发现, -OH的引入并没有引进新的杂质能级, Zn吸附此表面, 即Zn-TiO2-VO-OH, 使得禁带宽度缩短到最小(1.85 eV), 从而有望提高TiO2的光催化活性.
    The energies, atomic Mulliken charges, and electronic structures of Zn adsorbed on the pure surface, and on the surfaces with an oxygen vacancy (Zn-TiO2-VO) and one hydroxyl group (Zn-TiO2-VO-OH) are investigated by density functional theory, plane-wave pseudo-potential method, and the most stable surface structures (namely model (c), model (aI), and model (aII) are found. The results indicate that firstly, Zn interacts mainly with the surface oxygen by Zn–O covalent bond; secondly, when Zn atoms are adsorbed on the defective surface, the adsorption energy is reduced down to -1.75 eV, showing that Zn atoms are prone to being adsorbed on the oxygen vacancy surface. Finally, although no impurity states are introduced in to the gap when the Zn atoms are adsorbed to the surface with hydroxyl group, the band gap is reduced down to a minimum (1.85 eV), which is expected to improve the photocatalytic activity of TiO2.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:20966006);内蒙古自治区高等学校科学研究项目(批准号:NJZY11073)和内蒙古工业大学科学研究项目(批准号:ZD201207)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 20966006), the Scientific Research Projects in Colleges and Universities of Inner Mongolia Autonomous Region, China (Grant No. NJZY11073), and the Scientific Research Project of Inner Mongolia University of Technology, China (Grant No. ZD201207).
    [1]

    Fujishinla A, Honda K 1972 Nature 238 37

    [2]

    Kazumoto N, Bunsho O, Yan X H 2007 Chem. Phys. 339 64

    [3]

    Matthias B, Morales E H, Diebold U 2006 Chem Phys. Rev. Lett. 339 36

    [4]

    Emeline A V, Sheremetyeva N V, Khomchenko N V, Ryabchuk V K, Serpone N J 2007 Phys. Chem. C 111 11456

    [5]

    Valentin C D, Pacchioni G, Selloni A 2005 Chem. Mater. 17 6656

    [6]

    Umebayashi T, Yamaki T, Itoh H, Asai K 2002 Appl. Phys. Lett. 81 454

    [7]

    Zhao W, Ma W H, Chen C C, Zhao J C, Shuai Z G 2004 J. Am. Chem. Soc. 126 4782

    [8]

    Yang K S, Dai Y, Huang B 2007 Phys. Rev. B 76 195201

    [9]

    Raphael S, Markus K 2010 Phys. Rev. B 81 075111

    [10]

    Run L, Niall J 2010 Chem. Phys. Chem. 11 2606

    [11]

    Morgan B J, Watson G W 2010 Phys. Rev. B 82 144119

    [12]

    Jiang H Q, Wang P 2007 J. Harbin Institute of Technol. 39 367 [姜洪泉, 王鹏 2007 哈尔滨工业大学学报 39 367]

    [13]

    Jing L Q, Xin B F, Yuan F L, Xue L P, Wang B Q, Fu H G 2006 J. Phys. Chem. B 110 17860

    [14]

    Gomathi D L, Narasimha M B, Girish K S 2010 Mater. Sci. Engineer. B 166 1

    [15]

    Zhao L, Li C Z, Liu X H, Gu F, Du H L, Shi L Y 2008 Appl. Catal. B: Environ. 79 208

    [16]

    Zou J J, Zhu B, Wang L, Zhang X W, Mi Z T 2008 J. Molecul. Catal. A: Chem. 286 63

    [17]

    Chen Q L, Li B, Zheng G, He K H, Zheng A S 2011 Physica B 404 1074

    [18]

    Lu X, Zhang H P, Leng Y, Fang L M, Qu S X, Feng B, Weng J, Huang N 2010 J. Mater. Sci. Mater. Med. 21 1

    [19]

    Zhao L, Li C Z, Liu X H, Gu F, Du H L, Shi L Y 2008 Appl. Catal. B: Environ. 79 208

    [20]

    Moreira N H, Grygoriy D,B álint A, Andreia L R, Thomas F 2009 Chem. Theory Comput. 5 605

    [21]

    Han Y, Liu C J, Ge Q F 2006 J. Phys. Chem. B 110 7463

  • [1]

    Fujishinla A, Honda K 1972 Nature 238 37

    [2]

    Kazumoto N, Bunsho O, Yan X H 2007 Chem. Phys. 339 64

    [3]

    Matthias B, Morales E H, Diebold U 2006 Chem Phys. Rev. Lett. 339 36

    [4]

    Emeline A V, Sheremetyeva N V, Khomchenko N V, Ryabchuk V K, Serpone N J 2007 Phys. Chem. C 111 11456

    [5]

    Valentin C D, Pacchioni G, Selloni A 2005 Chem. Mater. 17 6656

    [6]

    Umebayashi T, Yamaki T, Itoh H, Asai K 2002 Appl. Phys. Lett. 81 454

    [7]

    Zhao W, Ma W H, Chen C C, Zhao J C, Shuai Z G 2004 J. Am. Chem. Soc. 126 4782

    [8]

    Yang K S, Dai Y, Huang B 2007 Phys. Rev. B 76 195201

    [9]

    Raphael S, Markus K 2010 Phys. Rev. B 81 075111

    [10]

    Run L, Niall J 2010 Chem. Phys. Chem. 11 2606

    [11]

    Morgan B J, Watson G W 2010 Phys. Rev. B 82 144119

    [12]

    Jiang H Q, Wang P 2007 J. Harbin Institute of Technol. 39 367 [姜洪泉, 王鹏 2007 哈尔滨工业大学学报 39 367]

    [13]

    Jing L Q, Xin B F, Yuan F L, Xue L P, Wang B Q, Fu H G 2006 J. Phys. Chem. B 110 17860

    [14]

    Gomathi D L, Narasimha M B, Girish K S 2010 Mater. Sci. Engineer. B 166 1

    [15]

    Zhao L, Li C Z, Liu X H, Gu F, Du H L, Shi L Y 2008 Appl. Catal. B: Environ. 79 208

    [16]

    Zou J J, Zhu B, Wang L, Zhang X W, Mi Z T 2008 J. Molecul. Catal. A: Chem. 286 63

    [17]

    Chen Q L, Li B, Zheng G, He K H, Zheng A S 2011 Physica B 404 1074

    [18]

    Lu X, Zhang H P, Leng Y, Fang L M, Qu S X, Feng B, Weng J, Huang N 2010 J. Mater. Sci. Mater. Med. 21 1

    [19]

    Zhao L, Li C Z, Liu X H, Gu F, Du H L, Shi L Y 2008 Appl. Catal. B: Environ. 79 208

    [20]

    Moreira N H, Grygoriy D,B álint A, Andreia L R, Thomas F 2009 Chem. Theory Comput. 5 605

    [21]

    Han Y, Liu C J, Ge Q F 2006 J. Phys. Chem. B 110 7463

  • [1] 史晓红, 陈京金, 曹昕睿, 吴顺情, 朱梓忠. 富锂锰基三元材料Li1.167Ni0.167Co0.167Mn0.5O2中的氧空位形成:第一性原理计算. 物理学报, 2022, 0(0): 0-0. doi: 10.7498/aps.71.20220274
    [2] 彭婕, 张嗣杰, 王苛, DoveMartin. 经式8-羟基喹啉铝的光谱与激发性质密度泛函. 物理学报, 2020, 69(2): 023101. doi: 10.7498/aps.69.20191453
    [3] 汤卉, 唐新桂, 蒋艳平, 刘秋香, 李文华. 铌酸锶钡陶瓷中氧空位对离子电导率和弛豫现象的影响. 物理学报, 2019, 68(22): 227701. doi: 10.7498/aps.68.20190562
    [4] 王泽普, 付念, 于涵, 徐晶威, 何祺, 郑树凯, 丁帮福, 闫小兵. 铟掺杂钨位增强钨酸铋氧空位光催化效率. 物理学报, 2019, 68(21): 217102. doi: 10.7498/aps.68.20191010
    [5] 栾晓玮, 孙建平, 王凡嵩, 韦慧兰, 胡艺凡. 锑烯吸附金属Li原子的密度泛函研究. 物理学报, 2019, 68(2): 026802. doi: 10.7498/aps.68.20181648
    [6] 何金云, 彭代江, 王燕舞, 龙飞, 邹正光. 具有氧空位BixWO6(1.81≤ x≤ 2.01)的第一性原理计算和光催化性能研究. 物理学报, 2018, 67(6): 066801. doi: 10.7498/aps.67.20172287
    [7] 王世伟, 朱朋哲, 李瑞. 界面羟基对碳纳米管摩擦行为和能量耗散的影响. 物理学报, 2018, 67(7): 076101. doi: 10.7498/aps.67.20180311
    [8] 栗苹, 许玉堂. 氧空位迁移造成的氧化物介质层时变击穿的蒙特卡罗模拟. 物理学报, 2017, 66(21): 217701. doi: 10.7498/aps.66.217701
    [9] 李瑞, 密俊霞. 界面接枝羟基对碳纳米管运动和摩擦行为影响的分子动力学模拟. 物理学报, 2017, 66(4): 046101. doi: 10.7498/aps.66.046101
    [10] 蒋然, 杜翔浩, 韩祖银, 孙维登. Ti/HfO2/Pt阻变存储单元中的氧空位聚簇分布. 物理学报, 2015, 64(20): 207302. doi: 10.7498/aps.64.207302
    [11] 代广珍, 蒋先伟, 徐太龙, 刘琦, 陈军宁, 代月花. 密度泛函理论研究氧空位对HfO2晶格结构和电学特性影响. 物理学报, 2015, 64(3): 033101. doi: 10.7498/aps.64.033101
    [12] 代广珍, 代月花, 徐太龙, 汪家余, 赵远洋, 陈军宁, 刘琦. HfO2中影响电荷俘获型存储器的氧空位特性第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(12): 123101. doi: 10.7498/aps.63.123101
    [13] 石彦立, 韩伟, 卢铁城, 陈军. 含羟基结构熔石英光电性质的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(8): 083101. doi: 10.7498/aps.63.083101
    [14] 张凤春, 李春福, 张丛雷, 冉曾令. H2S, HS自由基以及S原子在Fe(111)表面吸附的密度泛函研究. 物理学报, 2014, 63(12): 127101. doi: 10.7498/aps.63.127101
    [15] 王志萍, 朱云, 吴亚敏, 张秀梅. 质子与羟基碰撞的含时密度泛函理论研究. 物理学报, 2014, 63(2): 023401. doi: 10.7498/aps.63.023401
    [16] 龚宇, 陈柏桦, 熊亮萍, 古梅, 熊洁, 高小铃, 罗阳明, 胡胜, 王育华. 氧空位对Eu2+, Dy3+掺杂的Ca5MgSi3O12发光及余辉性能的影响. 物理学报, 2013, 62(15): 153201. doi: 10.7498/aps.62.153201
    [17] 袁健美, 郝文平, 李顺辉, 毛宇亮. Ni(111)表面C原子吸附的密度泛函研究. 物理学报, 2012, 61(8): 087301. doi: 10.7498/aps.61.087301
    [18] 解晓东, 郝玉英, 章日光, 王宝俊. Li掺杂8-羟基喹啉铝的密度泛函理论研究. 物理学报, 2012, 61(12): 127201. doi: 10.7498/aps.61.127201
    [19] 袁剑辉, 袁晓博. 单壁碳纳米管弹性性质的羟基接枝效应. 物理学报, 2008, 57(6): 3666-3673. doi: 10.7498/aps.57.3666
    [20] 姚明珍, 顾 牡. 钨酸铅晶体中与氧空位相关的色心研究. 物理学报, 2003, 52(2): 459-462. doi: 10.7498/aps.52.459
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-05-08
  • 修回日期:  2013-06-05
  • 刊出日期:  2013-09-05

Zn吸附到含有氧空位(VO)以及羟基(-OH)的锐钛矿相TiO2(101)表面电子结构的第一性原理计算

  • 1. 内蒙古工业大学内蒙古自治区工业催化重点实验室, 呼和浩特 010051
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号:20966006);内蒙古自治区高等学校科学研究项目(批准号:NJZY11073)和内蒙古工业大学科学研究项目(批准号:ZD201207)资助的课题.

摘要: 基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法, 计算了Zn吸附到TiO2(101)清洁表面、含有氧空位(VO)的缺陷表面以及既含有氧空位(VO)又含有羟基(-OH)表面的能量、Mulliken重叠布居数以及电子结构, 并找到了Zn在每种表面的最稳定结构(分别为模型(c), 模型(aI)以及模型(aII)). 通过对三种表面稳定结构的分析、对比发现: 首先, Zn原子吸附到清洁TiO2(101)表面上, 主要与表面氧相互作用, 形成Zn–O共价键; 其次, 当Zn原子吸附到缺陷表面时, 吸附能减小到-1.75 eV, 说明Zn更容易吸附到氧空位上(模型(aI)); 最后, 纵观表面模型的能带结构以及态密度图发现, -OH的引入并没有引进新的杂质能级, Zn吸附此表面, 即Zn-TiO2-VO-OH, 使得禁带宽度缩短到最小(1.85 eV), 从而有望提高TiO2的光催化活性.

English Abstract

参考文献 (21)

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