二氧化钛纳米管结构与性质的量子化学计算研究

二氧化钛纳米管兼具半导体电子结构和一维材料的几何结构特点，因而表现出优异的性能，在化工，材料，生物等许多领域具有广阔的应用前景。但目前对这种新型材料的结构，尤其是一维管状结构所引起的新颖性质以及性质与结构的关系缺乏深入理解。本项目中将首次建立各种结构的二氧化钛纳米管，并采用量子化学（密度泛函理论）计算方法，通过研究二氧化钛纳米管的几何及电子结构，揭示二氧化钛纳米管具有优异性质的分子机制；通过研究模型物（应用于光催化降解）、探针分子（应用于传感器）在不同结构二氧化钛纳米管的吸附或解离行为，尤其是在管内受限条件下的行为，建立二氧化碳纳米管光催化、气敏性质与结构关系。本项目的研究不仅可以为二氧化钛纳米管在光催化、传感器等领域的应用提供理论依据，而且可以加深对以二氧化钛为代表的半导体金属氧化物纳米管因一维管状结构所引起独特性质的共性科学认识，因此具有重要的科学和实践意义。

二氧化钛纳米管兼具半导体电子结构和一维材料的几何结构特点，因而表现出优异的性能，在化工，材料，生物等许多领域具有广阔的应用前景。但对于一维管状结构所引起的新颖性质以及性质与结构的关系缺乏深入理解。. 通过本项目的实施， 我们（1）首次采用类碳纳米管的定义方式定义二氧化钛纳米管模型，并研究了二氧化钛纳米管几何结构与性质的关系；（2）率先建立二氧化钛纳米管阵列模型，研究了其光电催化性质并通过密度泛函理论计算得到过电势，吉布斯自由能等宏观性质，实现了分子层次的计算到宏观性质的关联，并与实验结果很好的吻合；（3）研究了模型物水在二氧化钛纳米管阵列中的吸附及解离，建立了水分解的四个基元反应步骤，揭示了调控水分解制氢过程中的速控步骤的分子机制；（4）揭示了亲水性的纳微孔道对分子吸附，反应增强的规律。有助于理解纳米空间内分子吸附，扩散，反应的规律。 在该项目资助下， J.AM.CHE.SOC, ACS.NANO， J.Phys.Chem以及Phys.Chem.Chem. Phys等期刊共发表论文24篇（全部为SCI收录。培养研究生8名。