第一性原理研究O2和H2O在表面上的吸附行為

張海峰， 盧士香， 徐文國(guó)， 張秀輝

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 文理學(xué)院, 太谷 030801; 2. 北京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院, 北京 100081)

1引 言

ZnO在自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管、激光器、氣體傳感器、壓敏電阻器、光催化劑以及其他微電子器件領(lǐng)域都有出色的應(yīng)用，因此近些年受到了人們的廣泛關(guān)注[1-6].研究表明，ZnO作為光催化劑可以將有機(jī)污染物降解為CO2和其它無(wú)機(jī)小分子[7，8].用適當(dāng)?shù)墓庠凑丈鋃nO時(shí)，電子(e-)從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶上留下相應(yīng)的空穴(h+).空穴捕獲環(huán)境中的H2O或OH-生成了·OH，電子捕獲O2經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)生成了具有強(qiáng)氧化性的H2O2和·OH，進(jìn)而氧化降解有機(jī)污染物[9-12].為了生成更多的H2O2和·OH，研究人員采取了許多方法在實(shí)驗(yàn)和理論上修飾ZnO的電子結(jié)構(gòu)，例如將各種原子沉積或摻雜到ZnO中，或者改變ZnO的表面形貌[13-17].化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)物的界面上發(fā)生，因此ZnO的光催化活性取決于其裸露的表面以及表面形貌.

2計(jì)算方法與模型

Eads=EO2/slab-EO2-Eslab

(1)

Eads=EH2O/slab-EH2O-Eslab

(2)

圖1 表面2×2超晶胞的俯視圖和側(cè)視圖Zn橋位和Zn頂位為O2和H2O分子的主要吸附位點(diǎn)Fig. 1 Top and side views of ZnO 2×2 surface.Zn top site and Zn bridge site are main considered adsorption sites

3結(jié)果與討論

3.1O2 在表面上的吸附

圖2 O2在表面上的初始吸附模型Fig. 2 O2 adsorbed on ZnO surface before structure optimization

圖4 O2在表面上優(yōu)化后的吸附模型.(藍(lán)色數(shù)字為Znslab-Oads鍵長(zhǎng)，黑色數(shù)字為Oads1-Oads2鍵長(zhǎng)，單位為?)Fig. 4 O2 adsorbed on ZnO surface after structure optimization. ( Blue numbers are Znslab-Oads bond length, black numbers are Oads1-Oads2 bond length, and unit is ? )

3.2H2O在表面上的吸附

圖5 H2O在表面上的初始吸附模型Fig. 5 H2O adsorbed on ZnO surface before structure optimization

圖6 H2O在表面上吸附模型的形成能Fig. 6 Formation energy of H2O adsorbed on ZnO surface

圖7 H2O在表面上優(yōu)化后的吸附模型.(藍(lán)色數(shù)字為Znslab-Oads鍵長(zhǎng)，黑色數(shù)字為Oads-H鍵長(zhǎng)，紅色數(shù)字為Oslab-H氫鍵長(zhǎng)，單位為?)Fig. 7 H2O adsorbed on ZnO surface after structure optimization. ( Blue numbers are Znslab-Oads bond length, black numbers are Oads-H bond length, red numbers are Oslab-H hydrogen bond length, and unit is ?)

4結(jié) 論