TiO₂表面的光催化反應對于太陽能驅動技術至關重要，而活性位點和過程識別仍然存在爭議。只有確定這些基本的光催化過程，才能更好地理解TiO₂光催化作用，這對于開發新的光催化劑和光催化過程的表征至關重要。實驗中對光催化反應中吸附位點的影響以及光參與反應的步驟進行了大量研究，但始終沒有得出統一結論。之前的計算工作對TiO₂表面光催化分子鍵的活化提供了許多有價值的見解，但仍然不足，因為這些計算大多數是在單粒子水平進行的，而光生電子和空穴之間的相互作用，即激子效應，很少被覆蓋到。本文結合密度泛函理論（DFT）和線性響應含時密度泛函理論（LR-TDDFT），詳細研究了C₂H₆在金紅石TiO₂(110)上的兩個典型位點的吸附行為。

DFT 計算和LR-TDDFT計算揭示了吸附在金紅石TiO₂(110)表面上C₂H₆分子光活性的吸附位點差異性。C₂H₆更容易吸附在Ti_5c位點上并且基態的脫氫能壘較低，這與單粒子水平的計算一致。在考慮激子效應后的激發態情況則相反，吸附在O_br位點的C₂H₆具有更高的光活性，O_br原子作為光氧化過程中提供光生空穴的活性位點。在C₂H₆脫氫過程中，光生電子始終位于TiO₂襯底中的Ti⁴⁺位點，而光生空穴可以被C₂H₆捕獲以激活C-H鍵。這一工作為構建新型高效的烷烴脫氫催化劑提供了重要的思想和理論基礎。

機理部分圍繞兩個吸附位點的差異性進行解釋：從基態的表面軌道分析， Ti_5c位點吸附的C₂H₆與TiO₂(110)表面的軌道重合更多，電荷轉移更多，從而吸附越穩定。由于兩個吸附位點的C₂H₆所處的表面電勢不同，吸附態的C₂H₆能級出現了上下移動進而影響了其對襯底光生電子-空穴的捕獲能力。此外，TiO₂(110)表面的光生空穴主要通過O_br原子遷移到吸附分子上。

綜上所述，本文對金紅石TiO₂(110)表面光催化C₂H₆ C-H鍵活化的吸附位點差異性進行了探究，采用KSSOLV代碼實現的LR-TDDFT方法計算了吸附體系中C₂H₆ 分子C-H鍵活化過程的光生電子-空穴的分布，并對光參與C-H鍵活化的步驟進行了識別。該研究為構建新型高效烷烴脫氫催化劑提供了重要思路和理論基礎。

KSSOLV（Kohn-Sham Solver）是一款基于平面波基組的求解Kohn-Sham密度泛函理論的代碼，利用MATLAB編程和計算，使用解釋性語言，無需額外編譯安裝，支持Windows、Mac OS X和Linux系統，同時支持英偉達GPU加速，能夠在個人PC端達到主流計算軟件的計算速度。目前KSSOLV中已經實現了分子和固體的結構優化，電子能帶結構計算（包括自旋軌道耦合效應SOC），局域密度近似（LDA）、廣義梯度近似（GGA）和雜化泛函（HSE06）的交換關聯泛函以及激發態電子結構（LR-TDDFT和GW）計算和動力學模擬（RT-TDDFT）。KSSOLV還可以用于驗證公式和算法的正確性，其中已經實現的三種加速算法，包括自適應壓縮交換算子（ACE）方法、投影的C-DIIS（PC-DIIS）方法和插值可分密度近似（ISDF）方法，加速了雜化泛函、激發態電子結構計算和動力學模擬，有希望實現針對數百原子中等尺度的分子固體材料體系激發態光電性質的計算模擬。