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摘 要

众所周知，二氧化钛（TiO₂）材料在光催化材料、生物材料、电化学和工业催化等多个领域表现出优异的性能，因而被认为有望帮助解决能源和环境危机。在上述TiO₂材料的众多应用中往往都离不开水分子与TiO₂材料的接触。TiO₂ 表面结构，特别是水分子在TiO₂ 表面上形成的微结构往往对于TiO₂材料的应用起到关键作用。另一方面，大比表面积的TiO₂ 材料表现出性能上的优势，因此制备具有纳米孔道结构的TiO₂材料成为研究趋势。结合上述两点，水分子受限于TiO₂纳米孔道中的行为成为研究的热点之一。

首先，本文建立了TiO₂的狭缝模型，以金红石型二氧化钛110表面（Rutile TiO₂ 110）为壁面，研究了水分子在氧化钛狭缝中的静态性质。通过对水分子密度性质的分析发现，在TiO₂表面上存在着一层水分子，牢固在吸附在TiO₂表面上。为了研究不同的狭缝宽度是否会对这种强吸附存在影响，我们将狭缝宽度从2.0 nm逐渐减小到0.8 nm。结果表明这种界面强吸附作用并没有受到任何影响，并且该层水分子的微观结构（以氧原子对着表面，氢原子指向表面外的形式存在）还为附近的其他水分子提供了形成氢键的机会。

关键词：分子动力学模拟 二氧化钛 碳 水分子 表面化学性质 界面结构

Structural Properties of Water Molecules Confined in Slit-Shaped TiO₂ Nanopores： A Molecular Simulation Study

Abstract

Titanium dioxide (TiO₂) materials are expected to play an important role in helping to solve many serious environmental and pollution challenges, becausetheyare widely used in the fields of photocatalysis, biomaterials, electrochemistry and industrial catalysis. Among all the applications of TiO₂ materials, there is a common process which is the contact of water molecules and TiO₂ materials. Thus, the surface structure of TiO₂, especially micro-structure of water molecules on the TiO₂ surfaces, played a key role in the applications. Moreover, since the TiO₂ material with large surface area performance better, TiO₂ materials trend to be prepared with nanoporous structures. Hence, the behaviors of water molecules confined in the nanopores of TiO₂ are concerned.

First of all, the TiO₂ slits are modeled with the slit pore wall composed by the surface of rutile TiO₂ (110). Then the behavior of water molecules insuch slits are discussed. The results showed that there was one layer of water molecules fastened on TiO₂ surface. In order to consider the effects of TiO₂ slit distance on the adsorption of water, we adjusted the distance of TiO₂ slits from 0.8 nanometers (nm) to 2.0 nm. The results showed that the slit distance took no effect on the strong adsorption of water on TiO₂ surfaces. More details of these adsorbed water molecules are shown that, these water molecules are standing on the surfaces with O atom pointing to the Ti atom on TiO₂ surfaces. This structure provided the opportunities for the formation of hydrogen bonds between water in slits and the TiO₂ surfaces.

Key Words: Molecular dynamics simulation; TiO₂; Water; Surface chemistry; Interfacial structure

目 录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 二氧化钛材料的简介及应用

1.2 固体材料表面水分子结构对其性质的影响

1.2.1 水分子对金属有机骨架材(Metal-Organic Frameworks, MOFs)材料的影响

1.2.2 水分子对TiO₂材料的影响

1.3 分子模拟简介

1.3.1 分子模拟的定义

1.3.2 分子模拟的不同尺度

1.3.3 分子模拟常用软件

1.4 本文的研究内容和方法

第二章 研究方法

2.1 计算机分子模拟简介

2.2 位能模型

2.3 模拟细节

第三章 结果与讨论

3.1 氧原子的密度分布函数

3.2 狭缝中水分子的偶极取向

3.3 水分子的氢键网络

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

致谢

第一章 绪论

1.1 二氧化钛材料的简介及应用

二氧化钛无毒，化学性质很稳定，常温下几乎不与其他物质发生反应，是一种偏酸性的两性氧化物。与氧、硫化氢、二氧化硫、二氧化碳和氨都不起反应，也不溶于水、脂肪酸和其他有机酸及弱无机酸，微溶于碱和热硝酸。二氧化钛在自然界有三种结晶形态：金红石型、锐钛型和板钛型。板钛型属斜方晶系，是不稳定的晶型，在650℃以上即转化成金红石型，因此在工业上没有实用价值。锐钛型在常温下是稳定的，但在高温下要向金红石型转化。金红石型是二氧化钛最稳定的结晶形态。

金红石型和锐钛型都属于四方晶系，属同晶异构体，但具有不同的晶格。金红石型的晶体细长，呈棱形，通常是孪晶；而锐钛型一般近似规则的八面体。金红石型比起锐钛型来说，由于其单位晶格由两个二氧化钛分子组成而锐钛型却是由四个二氧化钛分子组成，故其单位晶格较小且紧密，所以具有较大的稳定性和相对密度，因此具有较高的折射率和和介电常数及较低的热传导性。

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