甲醇在銳鈦礦型TiO2(001)薄膜表面的吸附和催化反應(yīng)的研究.pdf

1、當(dāng)今世界面臨著傳統(tǒng)能源的儲(chǔ)量減少、溫室氣體增加、環(huán)境污染等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此尋找能高效產(chǎn)生清潔能源、還原二氧化碳、凈化污染物的催化劑是科研人員的重要目標(biāo)。自1972年日本科學(xué)家A.Fujishima和K.Honda發(fā)現(xiàn)TiO2在紫外光的作用下能將水分解為氫氣以來(lái)，TiO2材料在光解水制氫、光催化降解有機(jī)污染物、將二氧化碳還原為有機(jī)物等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力受到了廣泛的關(guān)注。TiO2材料中的銳鈦礦晶相被普遍認(rèn)為具有較高的催化活性。但在表面科學(xué)領(lǐng)域，由

2、于銳鈦礦型TiO2單晶難以獲得，對(duì)銳鈦礦型TiO2的研究相對(duì)較少。因此，研究甲醇分子在銳鈦礦型TiO2表面的吸附行為和催化反應(yīng)的過(guò)程有重要意義。
　　掃描隧道顯微鏡(STM)在表征薄膜表面的結(jié)構(gòu)、缺陷和吸附行為時(shí)具有高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，但缺乏化學(xué)分辨能力。為了彌補(bǔ)這個(gè)不足，本文作者在研究生學(xué)習(xí)期間搭建了一臺(tái)利用程序升溫脫附(TPD)技術(shù)研究表面吸附行為和化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備。我們實(shí)驗(yàn)室利用脈沖激光沉積(PLD)的方法生長(zhǎng)出了高質(zhì)量的銳鈦

3、礦型TiO2(001)薄膜，本文將介紹我們利用STM和TPD的方法對(duì)甲醇分子在該薄膜表面的吸附行為和催化反應(yīng)進(jìn)行的研究。
　　本文的第1章簡(jiǎn)要的介紹了TiO2材料，包括TiO2材料的金紅石、銳鈦礦、板鈦礦三種晶相的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用價(jià)值，研究銳鈦礦型TiO2材料的重要性，并回顧了銳鈦礦型TiO2材料在表面科學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展和前人對(duì)于銳鈦礦型TiO2(001)薄膜的制備經(jīng)驗(yàn)等已有的研究成果。
　　第2章主要介紹了我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中所用

4、的表征方法的工作原理和儀器結(jié)構(gòu)，包括制備銳鈦礦型TiO2(001)薄膜的PLD系統(tǒng)，表征薄膜表面的結(jié)構(gòu)、缺陷和吸附行為的STM，研究薄膜表面的吸附行為和化學(xué)反應(yīng)的TPD技術(shù)。這一章還介紹了我們實(shí)驗(yàn)室自行搭建的TPD-STM設(shè)備的儀器結(jié)構(gòu)、控制程序和我們?cè)趥鹘y(tǒng)儀器的基礎(chǔ)上所做的改進(jìn)。
　　第3章主要介紹了銳鈦礦型TiO2(001)薄膜的制備過(guò)程，該薄膜表面的重構(gòu)結(jié)構(gòu)和兩種缺陷的結(jié)構(gòu)，以及甲醇在該薄膜表面的吸附和分解行為。新鮮制備的銳

5、鈦礦型TiO2(001)薄膜表面只含有暗點(diǎn)缺陷，甲醇在這個(gè)表面上不發(fā)生分解。經(jīng)過(guò)Ar+刻蝕處理后的還原性表面會(huì)出現(xiàn)亮點(diǎn)缺陷，甲醇在這種缺陷的作用下會(huì)被分解為甲基。經(jīng)過(guò)在氧氣氛圍中退火的處理后，表面會(huì)出現(xiàn)另一種新的缺陷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示處理后的氧化性表面的新缺陷能將甲醇分解為甲氧基。
　　第4章主要介紹了銳鈦礦型TiO2(001)表面上發(fā)生的光催化反應(yīng)，包括兩種:一種是在氧化性表面的缺陷上發(fā)生的甲氧基的光催化反應(yīng)，高活性的甲氧基在弱紫外