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工中，其活性比用Ａ１：ｏ。和ＳｉＯ：作为载体高１～２倍［３］；在Ｎ０，选择催化还原反应中，Ｖ２０ｓ／ＴｉＯｚ催化剂在相当宽的温度范围内具有很高的活性和选择性，并有良好的抗硫中毒能力【４ｊ，近期研究表明二氧化钛与部分贵金属具有强相互作用【５３体现了其优异的催化性能。此外该材料还可以广泛地被应用于光催化剂、光电材料、催化剂载体、复合材料中的填充剂或惰性组分等『６。７】。
随着二氧化钛应用领域的不断扩大，在应用过程中遇到的问题也越来越多，例如：材料的润湿情况影响到纳米颗粒在溶液中的分散性，材料的微观结构对于反应活性的影响，由于二氧化钛微观结构所引起的流体传递和担载金属的分散性的受限效应。任何物质的特性都是分子和原子问相互作用的结果。二氧化钛的这些特殊性质与其本身所具有的特殊微观结构，以及其和流体分子之间特殊的相互作用有着密切的联系。因此，从分子层面研究二氧化钛微观结构对于应用性能的影响可以更好地认识其在催化、吸附等方面的作用，了解其优异的催化活性的微观机理，并在此基础上针对化工过程有目的性地开发和规模化制备具有特殊结构的二氧化钛材料。
现阶段的实验手段还无法准确地观测到二氧化钛表面的・些重要的微观信息，而分子模拟由于计算机性能得到飞速发展，在材料、化学以及生物等研究领域发挥着愈加重要的作用【８‘１６｜。分子模拟研究的优势在于可以提供一些现阶段实验还无法准确观测的微观信息。国内外已有不少研究人员利用分子模拟技术研究了＿二氧化钛的特殊性质和其独特的表面结构之间的相互关系¨７《０｜。
本文针对二氧化钛微观结构和其性能对已有的研究工作进行总结，主要内容包括：利用水分子在二氧化钛上的吸附来探讨二氧化钛的润湿行为，二氧化钛微观结构与催化反应活性的关系，受限于低维二氧化钛材料微观结构的影响。１
二氧化钛上的水分子吸附
水分子与二氧化钛材料的相互作用在液相光催
化、太阳能电池产氢等过程中具有举足轻重的作用，其中包括两个主要方面：水分子和二氧化钛表面的原子发生化学作用，并且由此引起水分子的解离；水分子在二氧化钛／水界面区域形成有别于体相的特殊微观结构。
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方数据学报第５９卷
１．１
二氧化钛表面水分子的吸附
金属氧化物表面上的羟基决定了金属氧化物表
面的润湿性，而材料润湿性在其催化、吸附等性能方面起着关键作用。水分子在金属氧化物表面上的解离吸附是表面羟基的一个重要来源。Ｌｉｎｄａｎ等１２川利用第一性原理研究了水分子在金红石型二氧化钛（１１０）表面上的解离吸附。他们的研究结果显示水分子在二氧化钛表面分解为质子和羟基，分别与表面上不饱和的氧原子和钛原子结合，最终形成羟基化表面。水分了的解离仅仅在五配位的钛原子处发生，而在六配位的钛原子处则不能发生水的解离吸附，相反它会使得水分子远离。同时，他们还预测金红石型二氧化钛（１１０）表面水分子的吸附没有物理过渡态，说明分解过程与温度无关，即羟基化过程会随时发生。而Ｈａｒｒｉｓ和Ｑｕｏｎｇ∽纠在研究水分子在理想的金红石型二氧化钛（１１０）晶面仁的吸附时发现较低温度和较低覆盖率的情况下水分子更倾向于形成化学吸附巾ｉ不是解离吸附。不过无论是化学吸附或者解离吸附都为表面提供了更多的水分子的吸附位，表现出亲水性质。这一观点也在Ｉ。ｉｎｄａｎ等［２胡对于多层水分子在金红石（１１０）表面的吸附中得以证实。
在理想表面水分子吸附研究的基础上，研究工作拓展到具有缺陷的晶体表面。由丁金属氧化物表面普遍存在缺陷，而这些缺陷又将会影响到材料的润湿性能，因此研究含有缺陷的表面会更接近真实体系。二氧化钛材料表面常出现的缺陷为氧缺陷，氧缺陷的形成及修补将会改变水分子在表面上的吸附行为从而进一步影响到材料的润湿性质。Ｌａｃｋｓ等心４Ｊ利用分子动力学（ＭＤ）的方法研究了氧缺陷的形成，他们的研究表明氧缺陷是由于温度升高桥接氧的脱附形成的，桥接氧会补充五配位的钛原子，这就形成了氧原子在表面上的游动，这样的移动可以引起吸附质的氧化和影响表面反应。随着温度进一步升高氧原子会完全脱附，这也就形成了氧缺陷。Ｓｃｈａｕｂ等心朝的研究工作提出了水在锐钛矿型二氧化钛（１１０）表面上的解离吸附优先发生于氧空穴处，这样的羟基化过程就会填补氧缺陷。使得表面羟基化更为完全，从而修补了氧原子脱附造成的缺陷。Ｍｉｎｏｔ等［２６］的工作也发现了类似的特性，他们发现水在缺陷表面上的解离吸附造成了表面的羟基化，并填补一些缺陷，从而使得表面得到修复。该工作进一步证明了二氧化钛为多羟基亲水
第８期魏明杰等：二氧化钛材料微观结构与应用性能的联系
・】９Ｄ９・
表面，这为二氧化钛材料表面改性，或加强纳米颗粒分散性等方面提供了微观上的信息。１．２二氧化钛／水界面区域的流体微观结构
研究人员将关注重点从水分子的吸附机理拓展到对润湿行为的研究所需体相水分子的体系，从而建立对于润湿行为研究工作更为真实的模型，利用ＭＤ模拟手段则可以达到这样的目的。Ｐｒｅｄｏｔａ等［２７２８］利用ＭＤ的方法研究了金红石型二氧化钛（１１０）表面上的水分子吸附，随后Ｋｏｐａｒｄｅ和Ｃｕｍｍｉｎｇｓ心列利用同样的方法研究了金红石和锐钛矿两种晶型的二氧化钛纳米颗粒上的水分子吸附。他们利用统计的方法得到了水分子在不同二氧化钛表面上的水分子的分布状况、偶极趋向、水分子停留时间等微观结构，Ｐｒｅｄｏｔａ等认为水分子在一定厚度（约１．５ｎｍ）存在三层不同性质的分布层。Ｋｏｐａｒｄｅ和Ｃｕｍｍｉｎｇｓ在对金红石和锐钛矿两种晶型的纳米颗粒表面水分予的分布进行比较之后发现无论在室温条件或足水热条件下，同样粒径的锐钛矿纳米颗粒比金红石的更为亲水。这也许是锐钛矿在很多工业应用过程中表现出更好分散性从而具有更好应用性能的原因。
分子动力学的研究直观地描述水分子在二氧化钛表面上的亲水行为。以此为基础，二氧化钛表面润湿行为的研究体系可以拓展到离子水溶液，含大分子的溶液［３０｜，甚至是复杂的有机溶剂中。这些都为工业应用中遇到的纳米颗粒分散性问题提供了分子层面的解释，并有助于找到解决这些问题的方法。２
二氧化钛微观结构与反应活性的研究
作为良好的光催化剂和非均相催化反应的催化
剂载体，二氧化钛参与了许多的光催化和工业催化反应。影响这些反应活性的因素很多，其中重要的因素是二氧化钛材料的微观结构，它会影响到表面与反应物质及催化剂的相互作用以及其自身强度。认识了材料微观结构的变化对于反应活性的影响就可以从改变材料自身结构出发达到提高反应活性的目的。本文分别从气体分子与表面的接触，贵金属在表面的沉积，光化学反应性能的优化以及加强催化剂载体强度４个方面来认识通过改变材料的微观结构提高催化反应活性的方法。２．１气体分子在表面的接触
在气固相催化反应中气体分子催化剂表面的接
万
方数据触常常是反应的控制步骤。Ｂａｋａｅｖｔ和Ｓｔｅｅｌｅ［３１］利用简单流体氩作为探针研究了金红石型二氧化钛（１ｌＯ）表面上的吸附位能，他们认为该表面上桥键氧的存在与否会造成吸附位能的迥异。不存在桥键氧的情况下吸附位存在于钛原子上方，而存在桥键氧时，吸附位则在桥键氧原子上方。在此基础之上，他们还研究了金红石型二氧化钛（１００）表面上Ａｒ的吸附，发现由于该表面上周期性小于Ａｒ原子闯的ｖａｎ
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ｗａａｌｓ斥力作用程，Ａｒ存在着竞
争吸附。这些吸附位的存在与分布会引起不同的气体分子与表面的接触机会，进而导致二氧化钛表面对气体分子具有不同选择性的来源。
在上述研究基础上，Ｌｉｎ等ｂ２１建立了具有纳米尺寸的金红石型二氧化钛颗粒的简化模型，并利用
ＭｏｎｔｅＣａｒＩｏ（ＭＣ）的方法研究了不同气体分子
（Ｃ０，Ｈ：Ｓ，Ｎ（）：）在其表面上的吸附。从他们的研究结果可以知道在４７３Ｋ时ＣＯ在二氧化钛表面上吸附量最大，其次是Ｈ：Ｓ，最后为Ｎ０ｚ，并且在该温度下ＣＯ选择性最高，但是在高温（７７３
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条件下则是Ｈ：ｓ的选择性最高。即通过改变温度可以调节二氧化钛对不同气体分子的选择性。此后Ｉ。ｉｎ等¨３０研究了Ｃ（）在不同晶型（金红石和锐钛矿）的二氧化钛颗粒上的吸附，在不同温度时ＣＯ在锐钛矿上均表现出更强的吸附，因而锐钛矿对于Ｃ（）的吸附量和选择性或许会更好。研究人员可以借助此方法更加方便地选择催化剂的晶型及其粒径大小。
气体分子与活性位的接触是气固相催化反应的一项控制因素，在多气氛的条件下，不同气体的竞争吸附就成了影响气固相催化反应的一个重要因素，在研究开发催化剂及其载体以前能够利用上述手段对于催化剂及其载体有・定的筛选将会对更快捷更可靠地选择气固相催化反应的催化剂提供有力的帮助。
２．２贵金属的表面沉积
以二氧化钛为活性载体担载贵金属的催化剂表现出传统的惰性载体催化剂所没有的优异性能，并为越来越多工业催化过程所应用。而贵金属的流失、团聚和失活是此类贵金属催化剂的应用过程中的关键问题。由于贵金属催化剂的颗粒粒径达到了纳米级别后具有较高活性，而纳米尺度的实验表征还存在难点，这种情况下分子模拟方法可以帮助研究人员认识贵金属与表面的相互作用。
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方数据
第８期魏明杰等：二氧化钛材料微观结构与应用性能的联系
证实了Ｈｕｍｍｅｒ等的工作，并且提出不同管径对于水分子排布和偶极取向具有影响。此后本课题组邵庆等ｆ４副研究了受限于不同管径纳米碳管的乙醇分子的结构，得到与水分子近似的结果。从研究结果可以知道受限对于流体的结构和性质的影响非常明显。二氧化钛由于结构和亲疏水性与碳管有所不同，对流体的受限影响也会不同。Ｐｒｅｄｏｔａ等【２７吧８］研究水分子在金红石型二氧化钛（１ｌＯ）表面上的吸附时利用了狭缝状的模型，即以二氧化钛为壁研究两壁间水分子的微观结构，水分子在这样的区域中的特殊构型使得界面区域存在着双电层，且狭缝区域存在着三层不同性质的水分子层。Ｐｒｅｄｏｔａ等的研究没有涉及狭缝宽度对于水分子排布的影响。随着狭缝宽度的减小，水分子就会受到受限效应，可能具有特殊的微观结构。
此外，金属团簇在受限条件下同样具有特殊性质，Ｃｈｅｎｇ等ｎ６ｌ研究了Ｐｔ团簇在纳米碳管内的受限行为，由于纳米碳管的受限效应使得Ｐｔ的熔点提高了。具有微孔介孔结构的二氧化钛因其具有较
大的比表面积是一种理想的催化剂载体，担载在其上的贵金属很可能存在于纳米孔道中并因此获得很好的分散性，提高催化反应活性。这方面分子模拟的研究虽然还没有广泛开展，但参考以纳米碳管为模型的受限体系，结合合适的分子力场，进行氧化钛受限体系的研究是完全可行的。
作为具有极性的亲水材料，二氧化钛相比非极性的纳米碳管会具有更加明显的受限效应。由于考虑了静电力的影响，流体和金属团簇将会受到纳米受限与静电力的协同效应，也许会表现出更为特殊的性质。该研究更有希望拓展到具有微孔或介孔的低维二氧化钛材料的制备和应用过程的研究中。４
展望与结语
随着新材料不断地应用于传统化学工程领域，
材料化学工程这一门交叉学科正发挥着它独特的优势。这门学科的核心理念是将新材料引入化学工程中，并运用化学工程的方法制备新材料。从这个核心出发可以看到，不断地研发、工程化的制备和在化学工业应用新材料是材料化学工程人的重要工作。在新功能性材料的开发过程中，研究者会关注材料结构和性能的内在关系，从微观层面去了解材料的表面润湿性和结构限制效应对于其应用性能的影响。分子模拟与材料表征的结合使得这方面的研
万
方数据究收获了前所未有的成果。计算机模拟不受实验条件的限制，虽然也受到计算能力和方法的限制，但随着计算能力的加强，分子模拟能够承担的计算体系也越来越大，能够承担的任务也越来越多，其已成为材料化工研究领域一个不可或缺的工具。
利用分子模拟技术从多尺度水平上探索二氧化钛微观结构变化对应用性能的影响，可以帮助研究者在分子微观层面认识并解决二氧化钛材料在工程应用中遇到的诸如分散性不好、催化反应活性不高、可见光利用率低、低维材料受限机理不明确等问题。分子模拟的研究方法可以不局限于目前的实验条件和手段，通过各种“理想化的实验”分析各种因素的影响，从而在二氧化钛材料的设计和应用环节起到指导作用。当然，对于二氧化钛微观结构与应用性能的研究，分子模拟和实验都不能单独给出完整的答案，只有将两者紧密结合互为补充，才能加强认识和理解，从而更好更充分地利用二氧化钛这种新颖而独特的材料。
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方数据
二氧化钛材料微观结构与应用性能的联系
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
魏明杰， 邵庆， 吕玲红， 朱育丹， 刘维佳， 陆小华， WEI Mingjie， SHAO Qing，L(U) Linghong， ZHU Yudan， LIU Weijia， LU Xiaohua南京工业大学化学化工学院,江苏,南京,210009
化工学报
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hgxb200808005.aspx
万方数据
・ｊ９Ｄ８・
化
工中，其活性比用Ａ１：ｏ。和ＳｉＯ：作为载体高１～２倍［３］；在Ｎ０，选择催化还原反应中，Ｖ２０ｓ／ＴｉＯｚ催化剂在相当宽的温度范围内具有很高的活性和选择性，并有良好的抗硫中毒能力【４ｊ，近期研究表明二氧化钛与部分贵金属具有强相互作用【５３体现了其优异的催化性能。此外该材料还可以广泛地被应用于光催化剂、光电材料、催化剂载体、复合材料中的填充剂或惰性组分等『６。７】。
随着二氧化钛应用领域的不断扩大，在应用过程中遇到的问题也越来越多，例如：材料的润湿情况影响到纳米颗粒在溶液中的分散性，材料的微观结构对于反应活性的影响，由于二氧化钛微观结构所引起的流体传递和担载金属的分散性的受限效应。任何物质的特性都是分子和原子问相互作用的结果。二氧化钛的这些特殊性质与其本身所具有的特殊微观结构，以及其和流体分子之间特殊的相互作用有着密切的联系。因此，从分子层面研究二氧化钛微观结构对于应用性能的影响可以更好地认识其在催化、吸附等方面的作用，了解其优异的催化活性的微观机理，并在此基础上针对化工过程有目的性地开发和规模化制备具有特殊结构的二氧化钛材料。
现阶段的实验手段还无法准确地观测到二氧化钛表面的・些重要的微观信息，而分子模拟由于计算机性能得到飞速发展，在材料、化学以及生物等研究领域发挥着愈加重要的作用【８‘１６｜。分子模拟研究的优势在于可以提供一些现阶段实验还无法准确观测的微观信息。国内外已有不少研究人员利用分子模拟技术研究了＿二氧化钛的特殊性质和其独特的表面结构之间的相互关系¨７《０｜。
本文针对二氧化钛微观结构和其性能对已有的研究工作进行总结，主要内容包括：利用水分子在二氧化钛上的吸附来探讨二氧化钛的润湿行为，二氧化钛微观结构与催化反应活性的关系，受限于低维二氧化钛材料微观结构的影响。１
二氧化钛上的水分子吸附
水分子与二氧化钛材料的相互作用在液相光催
化、太阳能电池产氢等过程中具有举足轻重的作用，其中包括两个主要方面：水分子和二氧化钛表面的原子发生化学作用，并且由此引起水分子的解离；水分子在二氧化钛／水界面区域形成有别于体相的特殊微观结构。
万
方数据学报第５９卷
１．１
二氧化钛表面水分子的吸附
金属氧化物表面上的羟基决定了金属氧化物表
面的润湿性，而材料润湿性在其催化、吸附等性能方面起着关键作用。水分子在金属氧化物表面上的解离吸附是表面羟基的一个重要来源。Ｌｉｎｄａｎ等１２川利用第一性原理研究了水分子在金红石型二氧化钛（１１０）表面上的解离吸附。他们的研究结果显示水分子在二氧化钛表面分解为质子和羟基，分别与表面上不饱和的氧原子和钛原子结合，最终形成羟基化表面。水分了的解离仅仅在五配位的钛原子处发生，而在六配位的钛原子处则不能发生水的解离吸附，相反它会使得水分子远离。同时，他们还预测金红石型二氧化钛（１１０）表面水分子的吸附没有物理过渡态，说明分解过程与温度无关，即羟基化过程会随时发生。而Ｈａｒｒｉｓ和Ｑｕｏｎｇ∽纠在研究水分子在理想的金红石型二氧化钛（１１０）晶面仁的吸附时发现较低温度和较低覆盖率的情况下水分子更倾向于形成化学吸附巾ｉ不是解离吸附。不过无论是化学吸附或者解离吸附都为表面提供了更多的水分子的吸附位，表现出亲水性质。这一观点也在Ｉ。ｉｎｄａｎ等［２胡对于多层水分子在金红石（１１０）表面的吸附中得以证实。
在理想表面水分子吸附研究的基础上，研究工作拓展到具有缺陷的晶体表面。由丁金属氧化物表面普遍存在缺陷，而这些缺陷又将会影响到材料的润湿性能，因此研究含有缺陷的表面会更接近真实体系。二氧化钛材料表面常出现的缺陷为氧缺陷，氧缺陷的形成及修补将会改变水分子在表面上的吸附行为从而进一步影响到材料的润湿性质。Ｌａｃｋｓ等心４Ｊ利用分子动力学（ＭＤ）的方法研究了氧缺陷的形成，他们的研究表明氧缺陷是由于温度升高桥接氧的脱附形成的，桥接氧会补充五配位的钛原子，这就形成了氧原子在表面上的游动，这样的移动可以引起吸附质的氧化和影响表面反应。随着温度进一步升高氧原子会完全脱附，这也就形成了氧缺陷。Ｓｃｈａｕｂ等心朝的研究工作提出了水在锐钛矿型二氧化钛（１１０）表面上的解离吸附优先发生于氧空穴处，这样的羟基化过程就会填补氧缺陷。使得表面羟基化更为完全，从而修补了氧原子脱附造成的缺陷。Ｍｉｎｏｔ等［２６］的工作也发现了类似的特性，他们发现水在缺陷表面上的解离吸附造成了表面的羟基化，并填补一些缺陷，从而使得表面得到修复。该工作进一步证明了二氧化钛为多羟基亲水
第８期魏明杰等：二氧化钛材料微观结构与应用性能的联系
・】９Ｄ９・
表面，这为二氧化钛材料表面改性，或加强纳米颗粒分散性等方面提供了微观上的信息。１．２二氧化钛／水界面区域的流体微观结构
研究人员将关注重点从水分子的吸附机理拓展到对润湿行为的研究所需体相水分子的体系，从而建立对于润湿行为研究工作更为真实的模型，利用ＭＤ模拟手段则可以达到这样的目的。Ｐｒｅｄｏｔａ等［２７２８］利用ＭＤ的方法研究了金红石型二氧化钛（１１０）表面上的水分子吸附，随后Ｋｏｐａｒｄｅ和Ｃｕｍｍｉｎｇｓ心列利用同样的方法研究了金红石和锐钛矿两种晶型的二氧化钛纳米颗粒上的水分子吸附。他们利用统计的方法得到了水分子在不同二氧化钛表面上的水分子的分布状况、偶极趋向、水分子停留时间等微观结构，Ｐｒｅｄｏｔａ等认为水分子在一定厚度（约１．５ｎｍ）存在三层不同性质的分布层。Ｋｏｐａｒｄｅ和Ｃｕｍｍｉｎｇｓ在对金红石和锐钛矿两种晶型的纳米颗粒表面水分予的分布进行比较之后发现无论在室温条件或足水热条件下，同样粒径的锐钛矿纳米颗粒比金红石的更为亲水。这也许是锐钛矿在很多工业应用过程中表现出更好分散性从而具有更好应用性能的原因。
分子动力学的研究直观地描述水分子在二氧化钛表面上的亲水行为。以此为基础，二氧化钛表面润湿行为的研究体系可以拓展到离子水溶液，含大分子的溶液［３０｜，甚至是复杂的有机溶剂中。这些都为工业应用中遇到的纳米颗粒分散性问题提供了分子层面的解释，并有助于找到解决这些问题的方法。２
二氧化钛微观结构与反应活性的研究
作为良好的光催化剂和非均相催化反应的催化
剂载体，二氧化钛参与了许多的光催化和工业催化反应。影响这些反应活性的因素很多，其中重要的因素是二氧化钛材料的微观结构，它会影响到表面与反应物质及催化剂的相互作用以及其自身强度。认识了材料微观结构的变化对于反应活性的影响就可以从改变材料自身结构出发达到提高反应活性的目的。本文分别从气体分子与表面的接触，贵金属在表面的沉积，光化学反应性能的优化以及加强催化剂载体强度４个方面来认识通过改变材料的微观结构提高催化反应活性的方法。２．１气体分子在表面的接触
在气固相催化反应中气体分子催化剂表面的接
万
方数据触常常是反应的控制步骤。Ｂａｋａｅｖｔ和Ｓｔｅｅｌｅ［３１］利用简单流体氩作为探针研究了金红石型二氧化钛（１ｌＯ）表面上的吸附位能，他们认为该表面上桥键氧的存在与否会造成吸附位能的迥异。不存在桥键氧的情况下吸附位存在于钛原子上方，而存在桥键氧时，吸附位则在桥键氧原子上方。在此基础之上，他们还研究了金红石型二氧化钛（１００）表面上Ａｒ的吸附，发现由于该表面上周期性小于Ａｒ原子闯的ｖａｎ
ｄｅｒ
ｗａａｌｓ斥力作用程，Ａｒ存在着竞
争吸附。这些吸附位的存在与分布会引起不同的气体分子与表面的接触机会，进而导致二氧化钛表面对气体分子具有不同选择性的来源。
在上述研究基础上，Ｌｉｎ等ｂ２１建立了具有纳米尺寸的金红石型二氧化钛颗粒的简化模型，并利用
ＭｏｎｔｅＣａｒＩｏ（ＭＣ）的方法研究了不同气体分子
（Ｃ０，Ｈ：Ｓ，Ｎ（）：）在其表面上的吸附。从他们的研究结果可以知道在４７３Ｋ时ＣＯ在二氧化钛表面上吸附量最大，其次是Ｈ：Ｓ，最后为Ｎ０ｚ，并且在该温度下ＣＯ选择性最高，但是在高温（７７３
Ｋ）
条件下则是Ｈ：ｓ的选择性最高。即通过改变温度可以调节二氧化钛对不同气体分子的选择性。此后Ｉ。ｉｎ等¨３０研究了Ｃ（）在不同晶型（金红石和锐钛矿）的二氧化钛颗粒上的吸附，在不同温度时ＣＯ在锐钛矿上均表现出更强的吸附，因而锐钛矿对于Ｃ（）的吸附量和选择性或许会更好。研究人员可以借助此方法更加方便地选择催化剂的晶型及其粒径大小。
气体分子与活性位的接触是气固相催化反应的一项控制因素，在多气氛的条件下，不同气体的竞争吸附就成了影响气固相催化反应的一个重要因素，在研究开发催化剂及其载体以前能够利用上述手段对于催化剂及其载体有・定的筛选将会对更快捷更可靠地选择气固相催化反应的催化剂提供有力的帮助。
２．２贵金属的表面沉积
以二氧化钛为活性载体担载贵金属的催化剂表现出传统的惰性载体催化剂所没有的优异性能，并为越来越多工业催化过程所应用。而贵金属的流失、团聚和失活是此类贵金属催化剂的应用过程中的关键问题。由于贵金属催化剂的颗粒粒径达到了纳米级别后具有较高活性，而纳米尺度的实验表征还存在难点，这种情况下分子模拟方法可以帮助研究人员认识贵金属与表面的相互作用。
万
方数据
第８期魏明杰等：二氧化钛材料微观结构与应用性能的联系
证实了Ｈｕｍｍｅｒ等的工作，并且提出不同管径对于水分子排布和偶极取向具有影响。此后本课题组邵庆等ｆ４副研究了受限于不同管径纳米碳管的乙醇分子的结构，得到与水分子近似的结果。从研究结果可以知道受限对于流体的结构和性质的影响非常明显。二氧化钛由于结构和亲疏水性与碳管有所不同，对流体的受限影响也会不同。Ｐｒｅｄｏｔａ等【２７吧８］研究水分子在金红石型二氧化钛（１ｌＯ）表面上的吸附时利用了狭缝状的模型，即以二氧化钛为壁研究两壁间水分子的微观结构，水分子在这样的区域中的特殊构型使得界面区域存在着双电层，且狭缝区域存在着三层不同性质的水分子层。Ｐｒｅｄｏｔａ等的研究没有涉及狭缝宽度对于水分子排布的影响。随着狭缝宽度的减小，水分子就会受到受限效应，可能具有特殊的微观结构。
此外，金属团簇在受限条件下同样具有特殊性质，Ｃｈｅｎｇ等ｎ６ｌ研究了Ｐｔ团簇在纳米碳管内的受限行为，由于纳米碳管的受限效应使得Ｐｔ的熔点提高了。具有微孔介孔结构的二氧化钛因其具有较
大的比表面积是一种理想的催化剂载体，担载在其上的贵金属很可能存在于纳米孔道中并因此获得很好的分散性，提高催化反应活性。这方面分子模拟的研究虽然还没有广泛开展，但参考以纳米碳管为模型的受限体系，结合合适的分子力场，进行氧化钛受限体系的研究是完全可行的。
作为具有极性的亲水材料，二氧化钛相比非极性的纳米碳管会具有更加明显的受限效应。由于考虑了静电力的影响，流体和金属团簇将会受到纳米受限与静电力的协同效应，也许会表现出更为特殊的性质。该研究更有希望拓展到具有微孔或介孔的低维二氧化钛材料的制备和应用过程的研究中。４
展望与结语
随着新材料不断地应用于传统化学工程领域，
材料化学工程这一门交叉学科正发挥着它独特的优势。这门学科的核心理念是将新材料引入化学工程中，并运用化学工程的方法制备新材料。从这个核心出发可以看到，不断地研发、工程化的制备和在化学工业应用新材料是材料化学工程人的重要工作。在新功能性材料的开发过程中，研究者会关注材料结构和性能的内在关系，从微观层面去了解材料的表面润湿性和结构限制效应对于其应用性能的影响。分子模拟与材料表征的结合使得这方面的研
万
方数据究收获了前所未有的成果。计算机模拟不受实验条件的限制，虽然也受到计算能力和方法的限制，但随着计算能力的加强，分子模拟能够承担的计算体系也越来越大，能够承担的任务也越来越多，其已成为材料化工研究领域一个不可或缺的工具。
利用分子模拟技术从多尺度水平上探索二氧化钛微观结构变化对应用性能的影响，可以帮助研究者在分子微观层面认识并解决二氧化钛材料在工程应用中遇到的诸如分散性不好、催化反应活性不高、可见光利用率低、低维材料受限机理不明确等问题。分子模拟的研究方法可以不局限于目前的实验条件和手段，通过各种“理想化的实验”分析各种因素的影响，从而在二氧化钛材料的设计和应用环节起到指导作用。当然，对于二氧化钛微观结构与应用性能的研究，分子模拟和实验都不能单独给出完整的答案，只有将两者紧密结合互为补充，才能加强认识和理解，从而更好更充分地利用二氧化钛这种新颖而独特的材料。
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方数据
二氧化钛材料微观结构与应用性能的联系
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
魏明杰， 邵庆， 吕玲红， 朱育丹， 刘维佳， 陆小华， WEI Mingjie， SHAO Qing，L(U) Linghong， ZHU Yudan， LIU Weijia， LU Xiaohua南京工业大学化学化工学院,江苏,南京,210009
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引证文献(1条)
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