二氧化钛(TiO2)纳米材料在结构、光电及化学性质等方面具有诸多优异性能,因而被广泛应用于光催化,空气净化,锂电池电极材料以及气敏传感器制作等领域。天然存在的TiO2三种晶型中,以锐钛矿型TiO2中的电子-空穴的重组结合被抑制的程度较高,所以具有更高的光催化活性,是制作太阳能电池和气敏传感器的理想材料。近年来,管状结构的TiO2由于具有更大的比表面积,以及高度有序和尺寸可控等特性而受到越来越多的关注。本文中选取由锐钛矿型TiO2的(101)单层切面,沿其[101]和[010]两个方向卷曲构建而成的(0,3)和(6,0)两种锐钛矿相的TiO2单壁纳米管为研究对象,选用单个Co原子或Cu原子通过吸附和掺杂两种方式对TiO2纳米管进行改性,并研究了CO分子在改性后的TiO2管上的吸附。从TiO2纳米管的能带结构、原子轨道的投影态密度图像以及Mulliken原子电荷和重叠布局数等方面进行分析,主要内容如下:1.我们研究了Co和Cu的单个原子在(0,3)与(6,0)两种TiO2纳米管上的吸附,相比而言,Co的吸附能更高些。吸附后的Co和Cu原子都失去电子,显电正性。Co-3d或Cu-3d轨道与2cO-2p轨道在价带的相互重叠,表明金属原子和2cO间存在着强相互作用。另外,Co原子和Cu原子的吸附都在TiO2纳米管的带隙中高于价带顶的位置产生了受主能级,使得禁带宽度减小,且以Co原子负载时造成的影响更为明显。金属原子的负载也使得(0,3)TiO2纳米管和(6,0)TiO2纳米管费米能级上升,向导带底靠近。2. Co和Cu原子在替位Ti原子掺杂(0,3)TiO2纳米管和(6,0)TiO2纳米管中后,均失去电子,呈电正性。从电子结构上分析,Co原子和Cu原子的掺杂都在TiO2纳米管的带隙中高于价带顶的位置引入杂质能级,使得纳米管禁带宽度减小。比较而言,Co原子的掺杂引入的杂质能级更多,纳米管的带隙减小地更为明显。此外,两种金属原子的掺杂均造成纳米管费米能级下降,接近甚至进入价带。3. CO能够以其C端和O端两种方向吸附在负载Co原子和Cu原子的负载TiO2纳米管壁外侧,且以C端与金属原子成键吸附时吸附能更高。而在金属原子掺杂的TiO2纳米管上,CO分子只能以C端与Co或Cu原子成键这一种方式吸附在掺杂后的TiO2纳米管壁上。分析发现金属原子的负载和掺杂都能显著增强TiO2纳米管表面与CO分子间的电子转移,使纳米管更容易与CO分子发生相互作用,进而增强了纳米管对CO的感应和吸附能力。同时CO分子在掺杂后TiO2纳米管上吸附对TiO2纳米管能带结构造成的影响更为明显—禁带宽度增大。具体分析CO分子和金属原子的成键机理可以发现,与自由CO的分子轨道相比,吸附后CO的分子轨道整体下移,而且Co(Cu)的3d轨道与C或O的2p轨道间存在明显的轨道耦合现象。且由于CO的5σ轨道主要是由C原子贡献的,所以金属原子与C原子间的相互作用更强,致使CO-5σ轨道分裂,这也导致CO更容易以C-Co或C-Cu键的吸附方式在TiO2纳米管上吸附。