单原子Co修饰TiO2(101)面的结构和析氢性能的第一性原理研究

通过基于密度泛函理论（DFT）+U的第一性原理方法研究了单原子Co在TiO2（101）面的掺杂位置和方式、几何结构和整体能量以及掺杂后产物的制氢反应机制，得到了稳定且易出现的单原子修饰结构，即单原子Co吸附在4个O组成的表面空隙的中心位，记为Co/TiO2（101）。进一步对Co/TiO2（101）的析氢反应过程和性能进行研究，确定了当且仅当TiO2（101）面完成表面羟基化反应后，H原子全覆盖的TiO2（101）表面才能进行后续的析氢反应；此时单原子Co是唯一的反应位点，整体的制氢反应自由能ΔGH*比Co（111）面更加趋近于0，显示出其具有远优于金属Co的催化性能。此外，Co和TiO2间的电荷转移和相互作用使TiO2带隙出现新的掺杂能级，可带来作为光催化基材的TiO2光吸收性能的改善。