【摘 要】
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甲醛是一种具有强烈刺激性气味且在常温下容易挥发,对人体危害极大有机污染物,消除甲醛成为目前亟待解决的问题。过去几十年,以半导体光催化氧化降解甲醛为代表的新兴技术迅速发展,贵金属增强半导体光催化技术也开始为人们所熟知。金纳米簇能级具有分立,类分子的特性,当金原子数目改变时,相应的能级结构也随之改变,表现为在可见光范围的吸收和远优于传统金纳米粒子的丰富氧化还原态,α-Fe2O3半导体材料价格低廉且氧化
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甲醛是一种具有强烈刺激性气味且在常温下容易挥发,对人体危害极大有机污染物,消除甲醛成为目前亟待解决的问题。过去几十年,以半导体光催化氧化降解甲醛为代表的新兴技术迅速发展,贵金属增强半导体光催化技术也开始为人们所熟知。金纳米簇能级具有分立,类分子的特性,当金原子数目改变时,相应的能级结构也随之改变,表现为在可见光范围的吸收和远优于传统金纳米粒子的丰富氧化还原态,α-Fe2O3半导体材料价格低廉且氧化能力强,将金簇沉积在α-Fe2O3表面构成的Au/α-Fe2O3光催化剂在可见光区域具有较强的光催化活性,能够有效地降解甲醛。基于密度泛函理论（DFT）,本论文研究了不同尺寸金簇沉积α-Fe2O3表面的电子结构和光学性质,探讨了甲醛在金簇沉积α-Fe2O3表面的降解机理,并考察了空气中水氧分子对甲醛与金簇沉积α-Fe2O3表面之间相互作用的影响,主要研究结果如下:（1）构建了金簇（1Au～5Au）沉积α-Fe2O3（001）表面模型,发现金簇沉积在表面的3配位Fe原子上时,结构最稳定。导带中靠近费米能级的能级分裂并产生向低能方向移动的新能级。电荷从金簇转移到α-Fe2O3表面,4Au/α-Fe2O3上的电荷转移量最大（0.31 e）。可见光范围内Au/α-Fe2O3表面的光吸收强度在金簇尺寸（2Au～4Au）随着金簇尺寸增大而增强,在（4Au～5Au）随着金簇尺寸增大而减小。4Au/α-Fe2O3具有最优的光学性能。（2）构建了水氧分子在纯α-Fe2O3（001）和4Au/α-Fe2O3（001）表面上的吸附模型。水分子在表面上的空位吸附时,结构最稳定,其吸附能分别为-133.25k J/mol和-150.66 k J/mol。Fe-O键键长变大。水分子均解离,H1-O8键形成·OH,电荷均从水分子转移到表面。氧分子水平吸附于表面时结构最稳定,吸附能分别为-173.25 k J/mol和-130.36 k J/mol。Fe3原子向上移动。氧分子中O6=O7键形成·O2-,电荷均从α-Fe2O3表面转移到氧分子。（3）构建了甲醛分子在纯α-Fe2O3（001）和4Au/α-Fe2O3（001）表面上的吸附构型。甲醛分子在表面上的空位吸附时,结构最稳定,吸附能分别为-72.33k J/mol和-106.55 k J/mol。甲醛分子均发生解离,并与表面形成H-O键。电荷均从甲醛分子转移到表面。（4）构建了水氧分子存在时,甲醛分子在纯α-Fe2O3（001）和4Au/α-Fe2O3（001）表面的吸附模型。对于纯α-Fe2O3表面,甲醛分子在表面空位,水分子在甲醛分子的一侧且靠近甲醛分子,且氧气分子在表面氧原子的顶位吸附时,结构最稳定,吸附能为-435.72 k J/mol。对于4Au/α-Fe2O3表面,甲醛分子和水分子同时位于氧气的两侧并在α-Fe2O3表面Fe3原子的顶位吸附时,结构最稳定,吸附能为-485.63 k J/mol。在纯α-Fe2O3表面,甲醛分子只在一个吸附位点解离,而在4Au/α-Fe2O3表面,甲醛分子在三个吸附位点产生解离。O6=O7键和H2-O5键在后续反应中形成·O2-和·OH,有利于甲醛分子的分解。水氧分子存在时,甲醛分子与4Au/α-Fe2O3表面上相互作用更强。综上,金簇沉积α-Fe2O3（001）表面光催化剂既能提高太阳能利用率,又能在水氧分子存在时提高甲醛分子的降解效率。
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