第一性原理研究O2和H2O在表面上的吸附行为

张海峰， 卢士香， 徐文国， 张秀辉

(1. 山西农业大学 文理学院, 太谷 030801; 2. 北京理工大学 化学与化工学院, 北京 100081)

1引 言

ZnO在自旋场效应晶体管、激光器、气体传感器、压敏电阻器、光催化剂以及其他微电子器件领域都有出色的应用，因此近些年受到了人们的广泛关注[1-6].研究表明，ZnO作为光催化剂可以将有机污染物降解为CO2和其它无机小分子[7，8].用适当的光源照射ZnO时，电子(e-)从价带被激发到导带，并在价带上留下相应的空穴(h+).空穴捕获环境中的H2O或OH-生成了·OH，电子捕获O2经过一系列反应生成了具有强氧化性的H2O2和·OH，进而氧化降解有机污染物[9-12].为了生成更多的H2O2和·OH，研究人员采取了许多方法在实验和理论上修饰ZnO的电子结构，例如将各种原子沉积或掺杂到ZnO中，或者改变ZnO的表面形貌[13-17].化学反应在反应物的界面上发生，因此ZnO的光催化活性取决于其裸露的表面以及表面形貌.

2计算方法与模型

Eads=EO2/slab-EO2-Eslab

(1)

Eads=EH2O/slab-EH2O-Eslab

(2)

图1 表面2×2超晶胞的俯视图和侧视图Zn桥位和Zn顶位为O2和H2O分子的主要吸附位点Fig. 1 Top and side views of ZnO 2×2 surface.Zn top site and Zn bridge site are main considered adsorption sites

3结果与讨论

3.1O2 在表面上的吸附

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

图4 O2在表面上优化后的吸附模型.(蓝色数字为Znslab-Oads键长，黑色数字为Oads1-Oads2键长，单位为Å)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 Å )

3.2H2O在表面上的吸附

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

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

图7 H2O在表面上优化后的吸附模型.(蓝色数字为Znslab-Oads键长，黑色数字为Oads-H键长，红色数字为Oslab-H氢键长，单位为Å)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 Å)

4结 论