Density Functional Theory Analysis of Coadsorption Behavior of Cl2 and O2 on TiC（100） Surface

doi:10.7503/cjcu20230497

Abstract

Abstract:

Based on the first-principles ab initio calculation method of density functional theory（DFT）， the coadsorption model of Cl₂ and O₂ molecules on the TiC（100） intact surface was established. The reaction mechanism of Cl₂ and O₂ molecules on the TiC（100） intact surface was studied by analyzing adsorption energy， charge density， partial density of states（PDOS） and other parameters. And it was found that the dissociated Cl and O atoms bond with the TiC（100） surface atoms， thus breaking the Ti—C bond. The Cl₂ molecule acts as an electron acceptor during the adsorption process， obtaining electrons contributed by the Ti atom that bonds with it， and the O₂ molecule also acts as an electron acceptor during the adsorption process， obtaining electrons contributed by the C atom. On the surface of TiC（100）， the number of electrons occupied in the bonding orbitals of Ti—C decreases， and the number of electrons occupied in the antibonding orbitals increases， which indicates the bonding between Ti and C atoms is weakened. At the same time， Ti3d has orbital overlapping hybridization with Cl3s and Cl3p， and there are strong formant peaks in O2p and C2p orbits， and Cl and O atoms interact strongly with TiC surfaces.

Key words: Titanium carbide, Adsorption behavior, Chlorine gas, Oxygen, Density functional theory

CLC Number:

O641.3

TrendMD:

CHEN Rong, WEN Liangying, YUE Dong, YANG Zhongqing. Density Functional Theory Analysis of Coadsorption Behavior of Cl₂ and O₂ on TiC（100） Surface[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(4): 20230497.

Figures/Tables 9

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Structure	C1－Ti		C1－O1		Ti－O1		Cl1－Ti		Cl2－C2		O1－O2		Cl1－Cl2
Structure	p	d/nm	p	d/nm	p	d/nm	p	d/nm	p	d/nm	p	d/nm	p	d/nm
TiC（100） clean surface	0.42	0.217	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—
I	0.01	0.231	0.65	0.136	0.13	0.209	0.37	0.256	0.30	0.183	-0.16	0.221	—	0.332
II	0.04	0.214	0.63	0.138	0.12	0.206	0.13	0.250	0.33	0.182	-0.03	0.284	—	0.302
III	0.33	0.223	0.48	0.145	—	0.309	0.08	0.250	0.33	0.182	0.25	0.143	—	0.328
IV	0.27	0.227	1.31	0.116	0.27	0.218	—	0.400	0.31	0.185	—	0.368	—	0.320
V	0.35	0.226	0.66	0.136	—	0.304	0.10	0.252	0.28	0.186	—	0.307	—	0.322
VI	0.36	0.223	0.65	0.137	—	0.311	—	0.362	0.33	0.184	-0.02	0.294	—	0.362

Structure	C1－Ti		C1－O1		Ti－O1		Cl1－Ti		Cl2－C2		O1－O2		Cl1－Cl2
Structure	p	d/nm	p	d/nm	p	d/nm	p	d/nm	p	d/nm	p	d/nm	p	d/nm
TiC（100） clean surface	0.42	0.217	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—
I	0.01	0.231	0.65	0.136	0.13	0.209	0.37	0.256	0.30	0.183	-0.16	0.221	—	0.332
II	0.04	0.214	0.63	0.138	0.12	0.206	0.13	0.250	0.33	0.182	-0.03	0.284	—	0.302
III	0.33	0.223	0.48	0.145	—	0.309	0.08	0.250	0.33	0.182	0.25	0.143	—	0.328
IV	0.27	0.227	1.31	0.116	0.27	0.218	—	0.400	0.31	0.185	—	0.368	—	0.320
V	0.35	0.226	0.66	0.136	—	0.304	0.10	0.252	0.28	0.186	—	0.307	—	0.322
VI	0.36	0.223	0.65	0.137	—	0.311	—	0.362	0.33	0.184	-0.02	0.294	—	0.362

Structure	Charge（Ti）/e					Charge（C1）/e				Charge（C2）/e
Structure	3s（4s）	3p（4p）	3d	q	Δq	2s	2p	q	Δq	2s	2p	q	Δq
TiC（100） clean surface	2.00（0.28）	6.00（0.40）	2.57	11.25	0.75	1.56	3.19	4.75	-0.75	1.56	3.19	4.75	-0.75
I	2.00（0.21）	6.00（0.42）	2.55	11.18	0.82	1.26	2.93	4.19	-0.19	1.52	3.22	4.74	-0.74
IV	2.00（0.22）	6.00（0.47）	2.54	11.23	0.77	1.46	2.23	3.69	0.31	1.54	3.20	4.74	-0.74
V	2.00（0.23）	6.00（0.44）	2.58	11.25	0.75	1.41	3.08	4.49	-0.49	1.52	3.21	4.73	-0.73

Structure	Charge（Ti）/e					Charge（C1）/e				Charge（C2）/e
Structure	3s（4s）	3p（4p）	3d	q	Δq	2s	2p	q	Δq	2s	2p	q	Δq
TiC（100） clean surface	2.00（0.28）	6.00（0.40）	2.57	11.25	0.75	1.56	3.19	4.75	-0.75	1.56	3.19	4.75	-0.75
I	2.00（0.21）	6.00（0.42）	2.55	11.18	0.82	1.26	2.93	4.19	-0.19	1.52	3.22	4.74	-0.74
IV	2.00（0.22）	6.00（0.47）	2.54	11.23	0.77	1.46	2.23	3.69	0.31	1.54	3.20	4.74	-0.74
V	2.00（0.23）	6.00（0.44）	2.58	11.25	0.75	1.41	3.08	4.49	-0.49	1.52	3.21	4.73	-0.73

Structure	Charge（Cl1）/e				Charge（Cl2）/e				Charge（O1）/e				Charge（O2）/e
Structure	3s	3p	q	Δq	3s	3p	q	Δq	3s	3p	q	Δq	2s	2p	q	Δq
Cl	2	5	7	0	2	5	7	0	—	—		—	—	—		—
O	—	—	—	—	—	—	—	—	2	4	6	0	2	4	6	0
I	1.94	5.32	7.26	-0.26	1.94	4.98	6.92	0.08	1.85	4.5	6.35	-0.35	1.85	4.61	6.46	-0.46
IV	1.94	5.44	7.38	-0.38	1.94	4.99	6.93	0.07	1.83	4.45	6.28	-0.28	1.85	4.80	6.65	-0.65
V	1.95	5.38	7.33	-0.33	1.94	4.95	6.89	0.11	1.86	4.63	6.49	-0.49	1.86	4.59	6.45	-0.45

Density Functional Theory Analysis of Coadsorption Behavior of Cl₂ and O₂ on TiC（100） Surface

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