4 августа 2021, среда, 12:13
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.ДзенОдноклассники

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

03 июня 2016, 12:27

Квантовые расчеты расширили представления о кристаллах-катализаторах

Рутил (ТіО2)
Рутил (ТіО2)
Wikimedia Commons

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.

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 ½ , а ось c вообще не пересекает, то ее обозначают не как (1½0), 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. Фото: МФТИ

На формирование поверхности влияет не только окружающая среда, но и то, как идет процесс перегруппировки атомов. С помощью специального программного обеспечения и 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.

Обсудите в соцсетях

«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ МФТИ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность антропогенез археология архитектура астероиды астронавты астрофизика бактерии бедность библиотеки биоинформатика биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера вакцинация викинги виноделие вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты клад климатология клонирование комары комета кометы компаративистика космос кошки культура культурология лазер лексика лженаука лингвистика льготы малярия мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеоклиматология палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы путешествие пчелы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники средневековье старение старообрядцы стартапы статистика табак такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экзопланеты экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Алексей Ананьев Дмитрий Козак Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад Солнечная система альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса вымирающие виды глобальное потепление грипп защита растений инвазивные виды информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология культурные растения междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция темная материя физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эволюция звезд эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество Европейская южная обсерватория жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PayPal PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2021.