掺杂锐钛矿相二氧化钛的第一性原理模拟计算开题报告

1. 研究目的与意义

由于家装材料和汽车装饰材料的大量使用，有机挥发性物质（VOC）在人居环境中广泛存在。其对人体的血液、神经等系统具有较强危害，因此环境友好型VOC净化材料的制备及其在降解应用方面的研究日益引起人们的重视。在众多材料中纳米二氧化钛(TiO₂)由于具有较强的光催化性能、化学稳定、性能优良、安全无毒、制备简单等特点，因而常被用于光催化降解低浓度VOC。

TiO₂光催化降解VOC的过程中，VOC分子首先要吸附于光催化剂表面上，然后在光的照射下降解。因此，VOC的降解速率与其在TiO₂表面的吸附性能有关。TiO₂表面结构是影响VOC分子吸附性能的重要因素，目前在自然界中已知的TiO₂晶型存在三种形态，即金红石型、锐钛矿型与板钛矿型。其中锐钛矿相TiO₂的光催化活性比金红石相高，大量实验证明部分气体分子能够在锐钛矿相TiO₂表面进行吸附并发生降解反应。

2. 课题关键问题和重难点

毕业论文写作的难点主要是前期资料的收集，尤其是如何在繁多的文献资料中找到适合本课题的资料。

另外，选择合适的研究方法也是一个难点。

研究方法不合适，将导致整篇论文的撰写难度提高，完成难度加大。

3. 国内外研究现状（文献综述）

引言

tio₂具有三种晶体结构: 板钛矿、金红石和锐钛矿相。其中,在环境净化领域常用锐钛矿相tio₂光催化降解各种有毒有害物质,这是因为锐钛矿相tio₂的禁带宽度约为3.2 ev,比金红石相tio₂的禁带宽度略大0.2 ev,导致锐钛矿相tio₂中的光生电子和空穴具有更强的还原和氧化能力,从而具有更强的光催化活性。在自然界中，二氧化钛普遍存在的三种形式：金红石型；锐钛矿型和板钛矿型。锐钛矿型和金红石型的晶体结构均由相互连接的二氧化钛八面体组成，差别是两者的畸变程度和连接方式不同，锐钛矿和金红石型都属于四方晶系，板钛矿属于斜方晶系。

1二氧化钛的性能

4. 研究方案

tio₂光催化降解voc的过程中，voc分子首先要吸附于光催化剂表面上，然后在光的照射下降解。因此，voc的降解速率与其在tio₂表面的吸附性能有关。tio₂表面结构是影响voc分子吸附性能的重要因素，目前在自然界中已知的tio₂晶型存在三种形态，即金红石型、锐钛矿型与板钛矿型。其中锐钛矿相tio₂的光催化活性比金红石相高，大量实验证明部分气体分子能够在锐钛矿相tio₂表面进行吸附并发生降解反应。

tio₂具有光催化作用。tio₂的价电子所占据的能级称为价带，未填充电子的能级称为导带。导带和价带之间存在一个能量间隙，称为禁带，宽度为3.2 ev。当半导体材料tio₂吸收了等于或大于3.2 ev的光能时，价带上的电子可以跃迁到导带上，在导带上生成一个光生电子e^﹣，价带上则留下一个空穴h 。

tio₂催化塑料的光降解反应。在此以聚乙烯pe的光降解为例说明原理。第一步，光催化剂tio₂产生的活性物质oh进攻pe分子的c―h键，使该键断裂。键上的氢带走一个电子与oh结合生成水，同时给键上的碳原子留下一个电子，使pe分子其余部分成为以碳原子为中心的自由基。第二步，这些碳自由基与o2反应，o2分子的π键断裂，它一端与自由基碳结合，另一端带上一个电子，形成新的自由基，称为过氧自由基。第三步，这些过氧自由基进攻pe分子的c―h键并与氢结合(与oh进攻的情况十分相似)，又生成以碳原子为中心的自由基。第四步，过氧自由基与氢的结合产物很不稳定，在光照下o―o键断裂，两个o各带上一个电子，一个留在pe分子链上形成以氧为中心(o)的自由基，另一个形成oh自由基。第五步，含有o的 pe分子链不稳定，o所在c原子的一条c―c键断裂，两个c各带上一个电子。o与所在c原子的单电子配对，形成π键，结果形成羰基，即生成一个醛分子。另一个单电子c原子留在pe分子链另一部分的端部，形成一个碳链自由基。以上是pe分子链的一个断裂过程，事实上这些断裂出来的物质可以继续按照这样的方式发生断裂，分子量继续降低，pe继续降解。理论上，pe最终可被氧化为co₂和h₂o。通过这样的过程，tio₂可有效光催化pe降解。例如，将掺有1%tio₂的pe膜置于太阳光下照射，300 h后失重达到42%，而纯pe膜仅失重0.39%。

5. 工作计划

一、准备阶段1、2022年12月16日前根据系提供的论文研究方向，选定指导老师和论文内容的范围，初步确定论文题目。

2、2022年12月16至2022年12月31日，根据所选的论文范围收集相关资料，并对所收集的资料进行分析，确定论文题目，征求指导老师的意见，并上交系里审批。

二、写作阶段1、2023年1月1日至2月3日，认真整理、详细阅读和分析所收集的论文资料，结合自己的观点，拟好论文的开提报告，征求指导老师的意见，经审批通过后正式开始论文写作，完成论文初稿，交由老师审阅。