П. И. Салмин, А.А. Багатурьянц
Московский физико-технический институт
Центр Фотохимии РАН
Кристаллический оксид титана () представляет большой интерес как
катализатор фотохимических и электрохимических реакций и носитель
металлических катализаторов, а также в связи с широким использованием
металлического титана в биотехнологии (титановые имплантанты обладают
высокой коррозионной стойкостью и являются нетоксичными). Слои
естественного окисида самопроизвольно образуются на поверхности
металлического титана в присутствии воды или во влажном воздухе.
Согласно экспериментальным данным, вода может адсорбироваться на
поверхности
как молекулярно, так и диссоциативно. Гидроксильные
группы, образующиеся в результате хемосорбции, имеют, по-видимому,
амфотерный характер и способны взаимодействовать с реакционными
центрами полярных аминокислот протеинов тканей.
Процессы, происходящие на поверхности кристаллического ,
исследовались теоретически с использованием кластерной модели. Главная
идея этой модели заключается в том, чтобы поделить бесконечный кристалл
на три области, причем каждая из них описывается по-разному, а именно:
область 1 представляет собой сам квантовый кластер, область 2 задается
псевдопотенциалами и область 3 — точечными зарядами.
Квантовомеханические расчеты были выполнены в приближении теории
функционала плотности с использованием обменно-корреляционного
функционала Becke3LYP [1].
Мы представили простой метод представления кристаллической системы кластерной моделью, с помощью которой можно описывать химические реакции на поверхности твердого тела. Результаты квантовохимических расчетов показали, что модели без псевдопотенциальной области слишком грубы, так как неправильно описывают соотношение энергий молекулярной и диссоциативной адсорбции и слишком завышают абсолютные энергии адсорбции. Модели с учетом псевдопотенциалов дают значительно более точные результаты, но размер кластера, по-видимому, недостаточен. При сравнении результатов необходимо учесть то обстоятельство, что конфигурации кластеров отличались. В нашем расчете пятикоординированный атом титана, над которым адсорбировалась молекула воды или гидроксильная группа, оставался неподвижным. В работе [2] его положение оптимизировалось. Что касается влияние точечных зарядов на результат, то определенной тенденции не обнаружено. Расчеты с использованием последних двух достаточно корректных моделей показали, что энергетический уровень молекулярно адсорбированной воды находится ниже, чем уровень диссоциативно адсорбированной воды, что согласуется с расчетами работы [2].
Литература
- M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel et. al., Pittsburgh, 1998.
- Eugene V. Stefanovich, Thanh N. Truong, Chem. Phys. Lett. 299 (1999) 623-269.
