【作者】 刘力铭； 赵瑾；

【Author】 Liming Liu;J.Zhao;Department of Physics,University of Science and Technology of China;Department of Physics,University of Science and Technology of China,Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale;

【机构】 中国科学技术大学物理系； 中国科学技术大学物理系,合肥微尺度物质科学国家实验室；

【摘要】 二氧化钛是一种备受关注的光催化材料,甲醛是一种常见的剧毒有机气体。研究甲醛的转化对环境保护和能源开发有重要意义。我们的工作讨论了甲醛在二氧化钛光催化分解的反应机理。实验确认了甲醛在无氧缺陷的二氧化钛金红石(110)面光催化分解产生一氧化碳,我们采用第一性原理计算的方法,系统地研究了甲醛在二氧化钛金红石(110)面的吸附行为和分解产生一氧化碳的反应路径。甲醛在该表面有三种典型的吸附构型,其中双配位吸附结构最稳定(比次稳定吸附构型吸附能高约1eV)。最稳定吸附构型通过两步脱氢,形成在同一桥氧链上两个OH,产生一氧化碳从表面释放。该反应的决速步为第二步脱氢过程,NEB计算得到的反应势垒约为2eV。我们还尝试了先从最稳定吸附构型转变为次稳定吸附构型,再通过两步脱氢在相邻两个桥氧链形成两个OH,其中的决速步仍为第二步脱氢过程,不同之处在于反应势垒相比直接脱氢要低0.3eV。计算结果表明,甲醛分子以双配位构型吸附在二氧化钛金红石(110)面,在分解产生一氧化碳的过程中,经过转变成次稳定吸附构型再脱氢分解的反应路径能量上更有利,可能反映了该分解反应真实的动力学过程。此外,甲醛分子代表了典型有机物的价键和电子结构,为其他类似有机分子的催化反应的研究提供了参考。更多还原

【Abstract】 We investigated toxic formaldehyde(CH2O) gas decomposing on rutile(1 1 0) surface through DFT calculations. Experimental results proved that CH2O could decompose to carbon monoxide(CO) and water(H2O) under ultraviolet light illumination, and CO could be converted to carbon dioxide(CO2) with following procedures. Through DFT calculations, we conformed three stable adsorption configurations of CH2O on rutile(110) surface, among them the bidentate adsorption structure of CH2O is the most stable one by forming O-Ti and C-Ob bonds with rutile(1 1 0) surface, and we found two reaction paths for adsorbed CH2O turning into CO catalyzed by TiO2 through nudged elastic band(NEB) method. Energy barriers of 2 eV for direct decomposition and 1.7 eV for indirect decomposition were found for these catalytic chemical reactions. These findings revealed the reaction mechanism of CH2O dissociation to CO on rutile(1 1 0) surface and enriched the knowledge of organic reaction under catalyzing of metal oxide.更多还原