SLIDE: NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỰ HẤP PHỤ CO TRÊN BỀ MẶT TiO2 ANATASE (001)

Môi trường sống của chúng ta đang bị đe dọa bởi các chất thải công nghiệp… Trong số các chất gây ô nhiễm môi trường, đáng chú ý là Cacbon Mônôxít (CO). Khả năng hấp phụ khí của TiO2 đã và đang được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm. Bên cạnh đó, vật lý mô phỏng là một lĩnh vực rất quan trọng trong nền vật lý hiện đại. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể, cấu trúc điện tử của bề mặt TiO2 anatase (001) (1×4). Tối ưu cấu trúc hình học, tính mật độ điện tử và khảo sát sự phân bố điện tích của bề mặt TiO2 anatase (001) (1×4) trước và sau khi hấp phụ CO. Khảo sát sự dịch chuyển của phân tử CO trên bề mặt TiO2 anatase (001) (1×4).

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÍ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỰ HẤP PHỤ CO TRÊN BỀ MẶT TiO2 ANATASE (001) Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Minh Thủy Học viên: Nguyễn Minh Hương MỞ ĐẦU • Môi trường sống bị đe dọa chất thải công nghiệp… Trong số chất gây ô nhiễm môi trường, đáng ý Cacbon Mônôxít (CO) • Khả hấp phụ khí TiO2 nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm • Bên cạnh đó, vật lý mô lĩnh vực quan trọng vật lý đại  Đề tài: “Nghiên cứu mô hấp phụ CO bề mặt TiO2 anatase (001)” MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI • Nghiên cứu cấu trúc tinh thể, cấu trúc điện tử bề mặt TiO2 anatase (001)- (1×4) • Tối ưu cấu trúc hình học, tính mật độ điện tử khảo sát phân bố điện tích bề mặt TiO2 anatase (001)- (1×4) trước sau hấp phụ CO • Khảo sát dịch chuyển phân tử CO bề mặt TiO2 anatase (001)- (1×4) NỘI DUNG TRÌNH BÀY • Phần Tổng quan • Phần Kĩ thuật tính toán • Phần Kết thảo luận • Phần Kết luận PHẦN I TỔNG QUAN VỀ TIO2 • Hai dạng thù hình quan tâm anatase rutile • Anatase rutile có cấu trúc bát diện • • Pha anatase chuyển thành rutile nhiệt độ cao Tinh thể anatase tinh khiết thuộc loại tứ diện (tetragonal), với nguyên tử Ti nguyên tử O ô sở anatase • rutile Bề rộng lượng vùng cấm anatase 3,2 eV PHẦN KĨ THUẬT TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ • Lí thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) sử dụng rộng rãi tính toán cấu trúc vật liệu • Biến số cần thiết hàm mật độ điện tử n(r) • Dựa định lí sở:  Định lí HK1: Mật độ điện tử trạng thái n o(r) xác định Vext (sai khác số cộng)  Định lí HK2: Mật độ trạng thái n o(r) cực tiểu hóa phiếm hàm lượng toàn phần E[n(r)] E[n( r )] = F[n( r )] + ∫ drV ( r )n( r ) F[n] = T[n] + Eint[n] bao gồm tất nội ext PHẦN KĨ THUẬT TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ • Kohn Sham đề xuất cách xấp xỉ cho hàm F[n] e n(r )n(r') F [n] = Ts [n] + ∫ drdr' + E xc [n] | r − r' | Ts[n] động hệ electron không tương tác e n(r )n(r') drdr' ∫ | r − r' | lượng tương tác tĩnh điện Exc[n] lượng tương quan – trao đổi PHẦN KĨ THUẬT TÍNH TOÁN PHƯƠNG TRÌNH KOHN-SHAM h2 − ∇ ψ i (r ) + VKS (r )ψ i (r ) = ε iψ i (r ), 2m VKS (r ) = Vext (r ) + VH (r ) + Vxc (r ), δ Exc (n) n(r') , n(r ) = ∑ ψ i (r ) VH (r ) = ∫ dr', Vxc (r ) = δ n(r ) | r − r' | i∈occ • Nếu biết Exc, phương trình KS giải theo cách tự hợp • Tính đến lượng trao đổi tương quan • Gần cho Exc: gần LDA GGA sử dụng rộng rãi PHẦN KĨ THUẬT TÍNH TOÁN GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MS • Phần mềm Materials Studio (MS) phần mềm ứng dụng mô mô hình hóa vật liệu • Gói chương trình Dmol3 phần mềm MS cho phép bạn xây dựng cấu trúc điện tử lượng phân tử, chất rắn lượng bề mặt Phần mềm sử dụng lý thuyết DFT PHẦN KẾT QUẢ TÍNH TOÁN Nội dung trình bày phần là: Mô vật liệu TiO2 chọn hàm tính toán Mô bề mặt TiO anatase (001)-(1×4) Xây dựng mô hình hấp phụ Tối ưu cấu trúc hình học mô hình hấp phụ Năng lượng hấp phụ mô hình hấp phụ Sự phân bố điện tử mô hình hấp phụ Sự linh động phân tử CO bề mặt TiO anatase (001)-(1×4) 10 Mô vật liệu TiO2 chọn hàm tính toán  Hàm gần a (Å) c (Å) LDA 3.783 9.501 PW91 3.841 9.720 PBE 3.852 9.707 RPBE 3.879 9.742 Thực nghiệm [17] 3.7845 9.5143 Thực nghiệm [16] 3.7852 9.5141 Thực nghiệm [15] 3.7842 9.5146 LDA (Tính toán khác) [5] 3.743 9.481 PW91 (Tính toán khác) [5] 3.801 9.724 Phương pháp LDA cho kết số mạng gần với thực nghiệm 11 Mô bề mặt TiO anatase (001)-(1×4) 2 a) b) 4 c) • Xây dựng bề mặt TiO2 anatase (001) từ ô tinh thể TiO2 anatase • Bề mặt TiO2 anatase (001) không tồn trạng thái lý tưởng mà bị biến tính thành bề mặt TiO anatase (001)-(1×4) 12 Mô bề mặt TiO anatase (001)-(1×4) 30Å • Để đảm bảo cho nguyên tử lớp không tương tác với Xây dựng bề mặt TiO anatase (001)-(1×4) supercell có kích thước lớn với độ dày lớp chân không 30Å (hình bên trái) • Tối ưu cấu trúc hình học bề mặt TiO2 anatase (001)-(1×4) (hình bên phải) 13 Xây dựng mô hình hấp phụ Ti C a) CO-top b) CO-side1 d) OC-top e) OC-side1 O c) CO-side2 f) OC-side2 14 Tối ưu cấu trúc hình học mô hình hấp phụ CO-top OC-top • CO-side1 CO-side2 OC-side1 Trong mô hình hấp phụ vật lí, khoảng cách Ti-C mô hình CO-side2 ngắn  Mô hình CO-side2 bền vững OC-side2 Năng lượng hấp phụ mô hình hấp phụ E = Esurf-CO – ( Esurf + ECO ) Mô hình CO-top CO-side1 CO-side2 OC-top OC-side1 OC-side2 E (eV) -2.5863 -0.2218 -0.3748 -0.2649 -2.552 -0.1714 Mô hình hấp phụ hóa học Mô hình hấp phụ vật lí :CO-top, OC-side1 : CO-side1, CO-side2, OC-top, OC-side2  Mô hình CO-side2 bền vững 16 Sự phân bố điện tử Δρ = ρsur-CO - (ρsur + ρCO) CO-side1 CO-side2  Mật độ điện tử phân tử CO sau hấp phụ giảm 17 Sự phân bố điện tử Mô hình CO-top CO-side1 CO-side2 0.168 0.044 0.247 Lượng điện tử biến đổi phân tử CO • Sau hấp phụ phân tử CO mang điện dương, có xu hướng nhường điện tử cho bề mặt TiO2 anatase (001)- (1×4) • Lượng điện tử trao đổi CO bề mặt TiO2 anatase (001)- (1×4) mô hình CO-side2 lớn  Mô hình CO-side2 bền vững 18 Sự linh động phân tử CO hấp phụ mặt TiO2 anatase (001) –(1×4) CO-side Trạng thái chuyển tiếp CO-side E (meV) Ebarrier = 131 Ereaction = 153 Reaction coordinate 19 Sự linh động phân tử CO hấp phụ mặt TiO2 anatase (001) –(1×4) E (meV) OC-side Trạng thái chuyển tiếp Ebarrier = Ereaction = 177 Reaction coordinate Ebarrier Ereaction nhỏ ([...]... dương • Nghiên cứu khả năng dịch chuyển của phân tử CO trên bề mặt TiO 2 anatase (001)- (1×4) Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng phân tử CO rất linh động trên bề mặt TiO2 anatase (001)- (1×4) 21 Hướng nghiên cứu tiếp theo • Tính toán nồng độ CO bị hấp phụ trên bề mặt TiO2 anatase (001)- (1×4) • Nghiên cứu mô phỏng cho tinh thể TiO2 anatase và các bề mặt TiO2 anatase khác • Nghiên cứu khả năng hấp phụ CO của... hấp phụ giảm 17 6 Sự phân bố điện tử Mô hình CO- top CO- side1 CO- side2 0.168 0.044 0.247 Lượng điện tử biến đổi của phân tử CO • Sau khi hấp phụ phân tử CO mang điện dương, có xu hướng nhường điện tử cho bề mặt TiO2 anatase (001)- (1×4) • Lượng điện tử trao đổi giữa CO và bề mặt TiO2 anatase (001)- (1×4) trong mô hình CO- side2 lớn nhất  Mô hình CO- side2 bền vững nhất 18 7 Sự linh động của phân tử CO. .. bề mặt TiO anatase (001)- (1×4) 2 2 5 2 4 a) b) 2 4 2 4 c) • Xây dựng bề mặt TiO2 anatase (001) từ ô tinh thể TiO2 anatase • Bề mặt TiO2 anatase (001) không tồn tại ở trạng thái lý tưởng mà bị biến tính thành bề mặt TiO anatase (001)- (1×4) 2 12 2 Mô phỏng bề mặt TiO anatase (001)- (1×4) 2 30Å • Để đảm bảo cho các nguyên tử giữa các lớp không tương tác với nhau Xây dựng bề mặt TiO anatase (001)- (1×4)... học bề mặt TiO2 anatase (001)- (1×4) (hình bên phải) 13 3 Xây dựng các mô hình hấp phụ Ti C a) CO- top b) CO- side1 d) OC-top e) OC-side1 O c) CO- side2 f) OC-side2 14 4 Tối ưu cấu trúc hình học của các mô hình hấp phụ CO- top OC-top • CO- side1 CO- side2 OC-side1 Trong các mô hình hấp phụ vật lí, khoảng cách Ti-C trong mô hình CO- side2 ngắn nhất  Mô hình CO- side2 bền vững nhất OC-side2 5 Năng lượng hấp phụ. .. khi hấp phụ trên mặt TiO2 anatase (001) –(1×4) CO- side 1 Trạng thái chuyển tiếp CO- side 2 E (meV) Ebarrier = 131 Ereaction = 153 Reaction coordinate 19 7 Sự linh động của phân tử CO khi hấp phụ trên mặt TiO2 anatase (001) –(1×4) E (meV) OC-side 2 Trạng thái chuyển tiếp Ebarrier = 3 Ereaction = 177 Reaction coordinate Ebarrier và Ereaction nhỏ (