毕业论文课题相关文献综述
化学工程学科中分子模拟的引入已经取得了许多成果，它们为材料合成、催化机理、膜过程等领域给出了解释和指导。本文针对TiO2的应用过程中普遍存在的水分子与TiO2的接触，采用分子动力学手段，拟将研究工作重点聚焦在TiO2纳米孔道中水分子的结构特性、吸脱附性质和流动性等行为上，拟比较不同化学性质表面所组成的纳米狭缝模型中水分子的相关性质。预期从模拟结果归纳出水分子与不同化学性质表面相互作用的普遍规律，给实验工作者提供了建议。
分子模拟是随着计算机科学技术的飞速发展而兴起的一门科学，广义的分子模拟技术包含了分子动力学模拟、模特卡罗模拟、量子化学计算等多个方面。近些年，分子模拟技术取得了长足的发展，其一大成果就体现在形形色色的分子模拟软件上。这就要求分子模拟研究人员必须具备正确选择、对待和使用现有软件的能力。
从分子模拟软件的开发和使用来看，一类以分子模拟自身算法的研究为主，目的是开发与优化各类型分子模拟软件；另一类则侧重以分子模拟作为手段，通过改进模拟方法，建立模拟模型去研究与实验更为接近的体系。目前国内外从事第一类工作的研究者已经形成了一些著名的学术团队，一些著名的商业公司也参与了进来。例如Pople领导下的Guassian开发小组，美国Accelrys公司(Cerius2、InsightII、MaterialsStudio)，英国著名的CCP5团队(DL_PLOY)，荷兰Groningen大学的Berendsen/VanGunsteren小组(Gromacs)，美国Harvard大学的CHARMM开发项目(CHARMM)软件开发小组以及美国Sandia国家实验室的LAMMPS（Large scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator）。与此同时，也有越来越多的研究者采用第二类方法，结合熟悉的实验环境，建立较为复杂的但却接近实验工作的模型，再采用分子模拟方法解释、预测或指导实验工作[1]。
无毒无害环境友好的二氧化钛材料是近年来备受关注的一种新型材料[2-3]。在减少环境污染、节能减排的国际大背景下，二氧化钛被认为是有望解决环境和污染问题的重要材料，它承担着解决能源问题的重担[4]。同时，在工业应用上作为理想的活性载体，二氧化钛材料也具有广阔的前景。其可作为许多反应的催化剂或载体：如在CO甲烷化反应中，其活性比用Al2O3和SiO2作为载体高1-2倍[5]；在NOx选择催化还原反应中，V2O5/TiO2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，近期研究表明二氧化钛与部分贵金属具有强相互作用[6]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[7-8]。随着二氧化钛应用领域的不断扩大，其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等。任何物质的特性都是分子和原子间相互作用的结果。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及其与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的认识其在催化、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[9]。
现阶段的实验手段在一定程度上能够表征二氧化钛的表面结构，并能够探测部分水分子在其表面上的吸附行为。但是通过实验手段并不能准确的获得流体分子与二氧化钛表面之间的相互作用等一些重要的微观信息，而分子模拟因计算机性能的提升而得以飞速发展，其在材料、化学以及生物等研究领域发挥着愈加重要的作用[10-11]。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性质与其独特的表面结构之间的相互关系[12-13]。
由于二氧化钛的应用领域几乎都存在着水溶液，因此研究水分子与二氧化钛的相互作用成为了该材料研究的重中之重。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。这其中主要包括两个主要方面：一是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；二是水分子在二氧化钛/水分子界面区域形成有别于体相的特殊微观结构。首先是水分子在二氧化钛表面上的解离吸附。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等人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[14]。其研究结果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，这说明分解过程与温度无关，即羟基化过程将会是随时发生的。但是，Harris和Quong在研究水分子在理想的金红石型二氧化钛（110）晶面上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而不是解离吸附。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Lindan及其合作者关于多层水分子在金红石（110）表面的吸附中得以证实[15]。
参考文献：
[1]分子模拟在化学工程中的应用吕玲红，陆小华，刘维佳，朱育丹（南京工业大学材料化学工程国家重点实验室，江苏南京210009）
[2]FujishimaA,HondaK.Electrochemicalphotolysisofwateratasemiconductorelectrode.Nature[J],1972,238(5358):37-38.
[3]HeM,LuX-H,FengX,YuL,YangZ-H.Asimpleapproachtomesoporousfibroustitaniafrompotassiumdititanate.ChemicalCommunications[J],2004,(19):2202-2203.
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