Новости
Библиотека
Таблица эл-тов
Биографии
Карта сайтов
Ссылки
О сайте


Пользовательского поиска




03.06.2016

Квантовые расчеты расширили представления о кристаллах-катализаторах

Исследователи из России, США и Китая при помощи численного моделирования выявили ранее неизвестные особенности рутила – перспективного фотокатализатора, сообщается в пресс-релизе МФТИ. Расчеты проводились в лаборатории МФТИ на суперкомпьютере Rurik.

Рутил (ТіО><sub>2</sub>)
Рутил (ТіО2)

Фотокатализаторы ускоряют течение химических реакций под действием света. В частности, диоксид титана (минерал рутил, TiO2) под действием света он эффективно расщепляет молекулы воды, а также опасные органические загрязнения. Его фотокаталитическая активность связана с тем, как атомы кислорода и титана располагаются на поверхности кристалла, поэтому определить их положение – очень важная задача.

В кристаллографии атомные плоскости обозначают тремя цифрами в скобках: каждая цифра обозначает пересечение плоскостью одной из кристаллографических осей a, b и c. При этом параллельные плоскости имеют одинаковые индексы – координаты пересечения сводятся к взаимно простым числам. То есть, если плоскость пересекает ось a в точке 1, ось b – в точке 1/2 , а ось c вообще не пересекает, то ее обозначают не как (1 1/2 0) , а как (210). А плоскость, которая пересекает каждую ось в точке 2, имеет индекс (111) вместо (222). Одной из двух самых активных поверхностей рутила R-TiO2 является поверхность, которую обозначают как (011).

По сравнению с объемом, атомы на поверхности имеют меньше соседей и больше оборванных связей, поэтому им приходится перегруппировываться - происходит реконструкция атомной структуры. Из предыдущих опытов с рутилом ученые знали, что на поверхности R-TiO2(011) чаще всего наблюдается реконструкция (2×1), когда расстояние между атомами в одном направлении увеличивается в два раза, а в другом – остается прежним. Когда такую поверхность облучали пучком ускоренных электронов, верхние атомы кислорода отрывались и оставляли на поверхности одномерные ряды (шириной в один атом) из пустующих мест. Эти ряды из так называемых кислородных вакансий могут увеличивать химическую активность поверхности. Физики также использовали данные об обнаружении так называемых метастабильных форм R-TiO2(011)-(2×1) – их существование термодинамически невыгодно при сложившихся условиях, но они не перестраиваются при первой возможности подобно тому, как не замерзает переохлажденная вода в отсутствие внешних возмущений. Ранее предлагалось несколько моделей реконструкции R-TiO2(011)-(2×1), но не все из них соответствовали экспериментальным данным и имели правдоподобную структуру.

После того, как атомы на поверхности выстроились в новую структуру, их порядок может оказаться устойчивым лишь при определенных условиях. Предсказать устойчивость той или иной реконструкции позволяет величина, называемая поверхностной энергией – это энергия связей между атомами поверхности единичной площади.

Обозначения плоскостей в кристалле рутила. Красными шариками показаны атомы кислорода, голубыми - атомы титана
Обозначения плоскостей в кристалле рутила. Красными шариками показаны атомы кислорода, голубыми - атомы титана

На формирование поверхности влияет не только окружающая среда, но и то, как идет процесс перегруппировки атомов. С помощью специального программного обеспечения и моделирования на основе законов квантовой механики) ученые построили поверхностную фазовую диаграмму - зависимость поверхностной энергии от состава – и по ней определили, какие именно формы являются метастабильными.

Кроме того, исследователи посчитали для нереконструированной поверхности рутила R-TiO2(011) поверхностное натяжение – силу, действующую на расположенные на поверхности атомы. Эти расчеты позволили сделать вывод, что R-TiO2 (011) и предсказанные ранее реконструкции titanyl-TiO2 и B(001)-TiO2 должны быть метастабильными. Для проверки были смоделированы изображения поверхности рутила R-TiO2 (011), которые могли бы получиться при изучении образцов сканирующим туннельным микроскопом (СТМ). Смоделированные СТМ-изображения ученые сопоставили с изображениями из реальных экспериментов.

Физики выяснили, что формирование реконструкций B(001)-TiO2 и titanyl-TiO2 обусловлено поверхностным натяжением. По заключению ученых эти структуры метастабильны. Полученные модели оказались похожими на ранее предложенные, но их существование является более обоснованным. Так, модель MF(111)-TiO менее насыщена кислородом, чем MF(111)-TiO2, и объясняет, почему реконструкция наблюдалась в бедной кислородом среде, то есть в вакууме при высокой температуре. А модель titanyl-Ti2O2 содержит одномерные ряды из вакансий кислорода, откуда ученые сделали предположение, что реконструкции titanyl-TiO2 и titanyl-Ti2O2 формируются до и после облучения электронами соответственно. Кроме того, авторы предлагают еще три новые структуры.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.


Источники:

  1. polit.ru



ИНТЕРЕСНО:

Новый метод анализа белков работает в 50 раз быстрее

Создана первая «химическая память» объемом в 1 бит

193 года назад впервые получено органическое соединение из неорганических

Ученые разработали программу, которая высчитывает свойства молекул сложных химических соединений

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Учёные создали нанореактор для производства водорода

Ученые из Швеции создали «деревянное стекло»

Разработан новый метод создания молекул

Японские ученые создали жидкий квазиметалл, застывающий на свету

Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин

Новая компьютерная программа предсказывает химические связи

Получены цветные изображения на электронном микроскопе

В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

10 невероятно опасных химических веществ

Создатель «суперклея» Гарри Кувер – химик и изобретатель, автор 460 патентов, самый известный из которых так и не помог ему разбогатеть




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://chemlib.ru/ 'ChemLib.ru: Библиотека по химии'