摘要：提高TiO_2的光催化效率是近年来的一个热点研究问题。经过几代科研人员的努力,在领域了很大的进步。但是现在能制备和使用的半导体的光催化效率还是偏低。提高光催化效率的方法和技术,但是这些方法和技术的目的可以归为两类:一类是扩展的光吸收谱来提高的光催化效率;另一类是降低中已经产生光生电子-空穴对在内部或外部的复合消耗,增加可以利用的光生电子-空穴的比率来提高的光催化效率。这些方法和技术大多数都只是关注改良半导体的性能,只有很少的研究涉及了光催化中非因素对光催化效率的影响。分子动力学方法研究在TiO_2光解水的中水分子运动和平衡下的结构以及TiO_2光催化还原Hg~(2+)中Hg~(2+)的运动特点,来探索在光催化中水环境因素对TiO_2表面光催化效率的影响。因为大量水分子聚集在一起时会干扰对分子结果的观察。所以为了细节地研究水分子对光催化的影响,要建立水分子数目较少的水滴模型。在建立模型的中用能量最小原理,确立在分子动力学模拟中TiO_2表面的光生电荷的模型。模拟结果发现水分子在TiO_2表面形成了有序的类冰结构。类冰结构束缚了结构内部的水分子,阻碍了水分子在结构两侧的穿过。因为类冰结构限制了表面物质的运动,抑制了光催化的反应物、生成物的扩散,所以类冰结构降低了的光催化效率。类冰结构占据的几何空间TiO_2表面光生电子浓度的增加而加大。在TiO_2表面的水滴模型的基础上构建了水滴模型中的Hg~(2+)光催化还原的模型,模拟下Hg~(2+)在光催化中的细节运动规律。分析Hg~(2+)的运动规律发现水在表面形成的类冰结构阻碍Hg~(2+)向表面靠近。Hg~(2+)运动的轨迹反应了类冰结构阻碍作用。研究Hg~(2+)轨迹的变化,知道了破坏类冰结构中每一层所的能量是不同的:越靠近表面,所需能量越大。这也就了一种研究在表面形成的类冰结构的方法。为了探索提高光催化效率的方法,在TiO_2表面掺杂的方式来限制表面类冰结构占据的空间。模拟结果:在TiO_2表面掺杂Fe~(3+)减小了类冰结构在表面的覆盖面积,减小了类冰结构占据的空间,减弱了类冰结构对表面附近粒子运动的束缚,于光催化中反应物和生成物的交换、扩散,可以促进光催化的效率的提高。在水滴模型了解了光催化中分子(离子)的运动细节后,为了趋近实际情况,在TiO_2表面建立水分子较多的水层模型。在TiO_2表面的水层模型中发现水在TiO_2表面形成的类冰结构总是会有缺陷,水结构中类冰结构和非类冰结构的比率大致不变。这就了类冰结构是水结构在(带电)表面作用力的作用范围内的重新分布。表面的光生电子浓度越大,表面作用力的作用范围就越大,表面上的类冰结构占据的空间就越大。用石墨烯代替TiO_2作为模型中的表面,做了类似的模拟。发现在相同的电子浓度上在石墨烯表面上水分子的扩展范围、移动速度都要大于TiO_2上水分子的运动速度。比较两种表面上Hg~(2+)的轨迹发现,在石墨烯表面的Hg~(2+)可以滑动更大的距离,使Hg~(2+)更大的还原几率,于Hg~(2+)的还原。这了带电石墨烯表面上的类冰结构的阻碍作用比TiO_2上生成的类冰结构的阻碍作用要小。这就石墨烯/TiO_2复合会比TiO_2拥有更高光催化效率。关键词：分子动力学论文光催化论文石墨烯论文类冰结构论文水论文
摘要4-6
Abstract6-10
第1章 绪论10-19
1.1 选题背景10-12
1.1.1 TiO_2 光催化技术在能源的发展10
1.1.2 TiO_2 光催化技术在污染处理的应用10-11
1.1.3 TiO_2 光催化技术的实际应用11-12
1.1.4 TiO_2 光催化的研究热点12
1.2 12-15
1.2.1 TiO_2 的晶体结构12-13
1.2.2 TiO_2 光催化反应原理13-14
1.2.3 纳米尺度流动14
1.2.4 水的结构14-15
1.3 提高TiO_2 光催化效率的方法15-17
1.3.1 贵金属沉积15
1.3.2 金属离子掺杂15-16
1.3.3 非金属掺杂16
1.3.4 半导体耦合法16
1.3.5 TiO_2 表面光敏化16
1.3.6 离子注入和等离子处理16
1.3.7 碳纳米管，石墨烯等新对TiO_2 的复合16-17
1.3.8 量子化TiO_2 粒子(Q-TiO_2)17
1.4 研究内容17-19
第2章 TiO_2表面的水滴模型19-31
2.1 在光催化中水分子运动的模拟19-27
2.1.1 TiO_2 表面的水滴模型的建立19-20
2.1.2 光催化中TiO_2 表面上电荷模型的确立20-22
2.1.3 光照条件下水分子在TiO_2 上运动的模拟22-27
2.2 在TiO_2 表面的水滴模型中HG~(2+)运动的模拟27-29
2.2.1 表面光生电子浓度对Hg~(2+)运动的影响27-29
2.2.2 还原后Hg 运动29
2.3 TiO_2 表面掺杂对类冰结构的影响29-30
2.4 小结30-31
第3章 TiO_2表面的水层模型31-37
3.1 TiO_2 表面静止水层模型31-33
3.1.1 TiO_2 表面的静止水层模型的建立及结果31-32
3.1.2 TiO_2 表面上静止水层中的Hg~(2+)的运动的模拟32-33
3.2 TiO_2 表面的流动水层模型33-36
3.2.1 TiO_2 表面的流动水层模型的建立及结果33-35
3.2.2 TiO_2 表面流动水层中Hg~(2+)运动的模拟35-36
3.2.3 TiO_2 表面流动水层对Hg 运动的影响36
3.3 小结36-37
第4章 石墨烯的模拟37-44
4.1 石墨烯表面的水滴模型37-40
4.1.1 石墨烯表面的水滴模型的建立与结果37-39
4.1.2 在石墨烯表面的水滴模型中Hg~(2+)运动的模拟39-40
4.2 石墨烯表面的水层模型40-42
4.2.1 石墨烯表面的水层模型的建立40-41
4.2.2 石墨烯表面流动水层中Hg~(2+)的运动模拟41-42
4.3 小结42-44
第5章 总结与展望44-46
5.1 总结44-45
5.2 展望45-46
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