nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2024-2-104-109nuc-652Research ArticleСтатьиAB-INITIO РАСЧЕТЫ РОДИЙ ДОПИРОВАННОЙ (001) ПОВЕРХНОСТИ РОМБОЭДРИЧЕСКОЙ ФАЗЫ BaTiO3AB-INITIO CALCULATIONS OF THE RHODIUM-DOPED (001) SURFACE OF THE RHOMBOHEDRAL PHASE BaTiO3https://orcid.org/0000-0001-9777-9943ЗәкиеваЖ. Е.ZakiyevaZh. Ye.

Астана

Almaty

zhadyrazakiyeva@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-2378-4082ИнербаевТ. М.InerbaevT. M.

Астана

Almaty

zhadyrazakiyeva@gmail.comАбуоваА. У.AbuovaA. U.

Астана

Almaty

zhadyrazakiyeva@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6903-2084АбуоваФ. У.AbuovaF. U.

Астана

Almaty

zhadyrazakiyeva@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1706-1622МералиН. А.MeraliN. A.

Астана

Almaty

nurpeis.93@mail.ruТолегенУ. Ж.TolegenU. Zh.

Астана

Almaty

zhadyrazakiyeva@gmail.comКаптагайГ. А.KaptagayG. A.

Астана

Almaty

Евразийский национальный университет им. Л.Н. ГумилеваКазахстанL. N. Gumilyov Eurasian National UniversityKazakhstanКазахский национальный женский педагогический университетКазахстанKazakh National Women's Pedagogical UniversityKazakhstan20243006202402104109Copyright © Зәкиева Ж.Е., Инербаев Т.М., Абуова А.У., Абуова Ф.У., Мерали Н.А., Толеген У.Ж., Каптагай Г.А., 20242024Зәкиева Ж.Е., Инербаев Т.М., Абуова А.У., Абуова Ф.У., Мерали Н.А., Толеген У.Ж., Каптагай Г.А.Zakiyeva Z.Y., Inerbaev T.M., Abuova A.U., Abuova F.U., Merali N.A., Tolegen U.Z., Kaptagay G.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/652

Разработка эффективных, устойчивых и экономически выгодных фотокаталитических систем для разделения воды на водород и кислород с помощью солнечного света представляет собой стратегически значимое направление для будущего производства топлива и химических веществ из возобновляемых источников.  Расщепления воды является перспективной стратегией для устойчивого производства возобновляемого водорода и решения глобального энергетического и экологического кризиса. Однако широкомасштабное применение этого метода ограничивается низкой эффективностью и высокой стоимостью солнечных систем расщепления воды. Поиск экономичных, эффективных и стабильных фотокатализаторов является ключевым направлением в разработке технологий солнечного расщепления воды. Фотокатализаторы на основе перовскита в последнее время привлекают значительное внимание для применения в процессах солнечного расщепления воды благодаря своей простой структуре и гибкости состава. BaTiO3 является перспективным фотокатализатором благодаря своей регулируемый электронной структуре. Изначально считалось, что он является плохим фотокатализатором из-за широкой запрещенной зоны, этот материал стал объектом различных стратегий, направленных на уменьшение ширины запрещенной зоны. В настоящей работе мы изучаем влияние допирования Rh на электронную структуру перовскита (001) BaTiO3 поверхности. Поскольку теоретические результаты показывают, что атомы Rh могут занимать оба участка одновременно или только Ti-участки, или Ba-участки, была смоделирована электронная структура для двух условий. Когда атомы Rh занимают одно положение Ba и одно положение Ti, видно, что электронная структура показывает наличие акцепторного уровня в пределах запрещенной зоны выше уровня Ферми, что эффективно уменьшает ширину запрещенной зоны материала.

The advancement of effective, durable, and economically viable photocatalytic systems aimed at solar-driven water splitting into hydrogen and oxygen represents a strategically vital pathway for future fuel and chemical production from renewable sources. Water splitting is a promising strategy for the sustainable production of renewable hydrogen and for addressing the global energy and environmental crisis. However, the large-scale application of this method is limited by the low efficiency and high cost of solar water splitting systems. The search for economical, efficient, and stable photocatalysts is crucial in the development of solar water splitting technologies. Perovskite-based photocatalysts have recently attracted considerable attention for use in solar water splitting processes due to their simple structure and flexible composition. BaTiO3 is a promising photocatalyst because of its adjustable electronic structure. Initially considered a poor photocatalyst due to its wide band gap, this material has become the focus of various strategies aimed at reducing the band gap. In this paper, we study the effect of Rh doping on the electronic structure of the (001) BaTiO3 perovskite surface. Theoretical results show that Rh atoms can occupy both sites simultaneously, or only Ti sites, or Ba sites. The electronic structure was modeled for two conditions. When Rh atoms occupy one Ba position and one Ti position, the electronic structure shows the presence of an acceptor level within the band gap above the Fermi level, effectively reducing the band gap of the material.

катализаторэлектронная структураперовскитэлементарная ячейкаплотность состоянийширина запрещенной зонырасчеты из первых принциповтеория функционала плотностиcatalystelectronic structureperovskiteunit celldensity of statesband gapcalculations based on first principlesdensity functional theoryРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан, грант AP14869492 «Разработка нанокристаллических металлооксидных катализаторов для производства водорода».ReferencesKato H., Kudo A. Visible-light-response and photocatalytic activities of TiO2 and SrTiO3 photocatalysts codoped with antimony and chromium // The Journal of Physical Chemistry B. – 2002. – Vol. 106. – No. 19. – P. 5029–5034. https://doi.org/10.1021/jp0255482Kato, H. and A. Kudo, Visible-light-response and photocatalytic activities of TiO2 and SrTiO3 photocatalysts codoped with antimony and chromium. The Journal of Physical Chemistry B, 2002. 106(19): p. 5029-5034.Konta R. et al. Photocatalytic activities of noble metal ion doped SrTiO3 under visible light irradiation // The Journal of Physical Chemistry B. – 2004. – Vol. 108. – No. 26. – P. 8992–8995. https://doi.org/10.1021/jp049556pKonta, R., et al., Photocatalytic activities of noble metal ion doped SrTiO3 under visible light irradiation. The Journal of Physical Chemistry B, 2004. 108(26): p. 8992-8995.Ham Y. et al. Flux-mediated doping of SrTiO3 photocatalysts for efficient overall water splitting // Journal of Materials Chemistry A. – 2016. – Vol. 4. – No. 8. – P. 3027–3033. https://doi.org/10.1039/C5TA04843EHam, Y., et al., Flux-mediated doping of SrTiO 3 photocatalysts for efficient overall water splitting. Journal of Materials Chemistry A, 2016. 4(8): p. 3027-3033.Wemple S. H. Polarization Fluctuations and the Optical-Absorption Edge in BaTiO3 // Physical Review B. – 1970. – Vol. 2. – No. 7. – P. 2679. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.2.2679Wemple, S., Polarization Fluctuations and the Optical-Absorption Edge in BaTi O 3. Physical Review B, 1970. 2(7): p. 2679.Van Benthem K., Elsässer C., French R. H. Bulk electronic structure of SrTiO3: Experiment and theory // Journal of applied physics. – 2001. – Vol. 90. – No. 12. – P. 6156–6164. https://doi.org/10.1063/1.1415766Van Benthem, K., C. Elsässer, and R. French, Bulk electronic structure of SrTiO 3: Experiment and theory. Journal of applied physics, 2001. 90(12): p. 6156-6164.Xie P. et al. Improving hydrogen evolution activity of perovskite BaTiO3 with Mo doping: Experiments and first-principles analysis // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Vol. 44. – No. 23. – P. 11695–11704. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.03.145Kawasaki, M., et al., Atomic control of the SrTiO3 crystal surface. Science, 1994. 266(5190): p. 1540-1542.Maeda K. Rhodium-doped barium titanate perovskite as a stable p-type semiconductor photocatalyst for hydrogen evolution under visible light // ACS applied materials & interfaces. – 2014. – Vol. 6. – No. 3. – P. 2167–2173. https://doi.org/10.1021/am405293eIwashina, K. and A. Kudo, Rh-doped SrTiO3 photocatalyst electrode showing cathodic photocurrent for water splitting under visible-light irradiation. Journal of the American Chemical Society, 2011. 133(34): p. 13272-13275.Nishioka S., Maeda K. Hydrothermal synthesis of rhodium-doped barium titanate nanocrystals for enhanced photocatalytic hydrogen evolution under visible light // RSC advances. – 2015. – Vol. 5. – No. 121. – P. 100123–100128. https://doi.org/10.1039/C5RA20044JShenoy, U.S., H. Bantawal, and D.K. Bhat, Band engineering of SrTiO3: effect of synthetic technique and site occupancy of doped rhodium. The Journal of Physical Chemistry C, 2018. 122(48): p. 27567-27574.Bhat D. K., Bantawal H., Shenoy U. S. Rhodium doping augments photocatalytic activity of barium titanate: effect of electronic structure engineering // Nanoscale Advances. – 2020. – Vol. 2. – No. 12. – P. 5688–5698. https://doi.org/10.1039/D0NA00702AKresse, G. and D. Joubert, From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method. Physical review b, 1999. 59(3): p. 1758.Kawasaki M. et al. Atomic control of the SrTiO3 crystal surface // Science. – 1994. – Vol. 266. – No. 5190. – P. 1540–1542. https://doi.org/10.1126/science.266.5190.1540Kresse, G. and J. Furthmüller, Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Physical review B, 1996. 54(16): p. 11169.Iwashina K., Kudo A. Rh-doped SrTiO3 photocatalyst electrode showing cathodic photocurrent for water splitting under visible-light irradiation // Journal of the American Chemical Society. – 2011. – Vol. 133. – No. 34. – P. 13272–13275. https://doi.org/10.1021/ja2050315Blöchl, P.E., Projector augmented-wave method. Physical review B, 1994. 50(24): p. 17953.Shenoy U. S., Bantawal H., Bhat D. K. Band engineering of SrTiO3: effect of synthetic technique and site occupancy of doped rhodium // The Journal of Physical Chemistry C. – 2018. – Vol. 122. – No. 48. – P. 27567–27574. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b10083Perdew, J.P., K. Burke, and M. Ernzerhof, Generalized gradient approximation made simple. Physical review letters, 1996. 77(18): p. 3865.Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method // Physical review B. – 1999. – Vol. 59. – No. 3. – P. 1758. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.59.1758Bader, R., Chem. Re V. 1991, 91, 893.(b) Bader, RFW Atoms in Molecules. A Quantum Theory, 1990.Kresse G., Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Physical review B. – 1996. – Vol. 54. – No. 16. – P. 11169. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169Inerbaev, T., et al., DFT studies of BaTiO3. Bulletin of the Karaganda University" Physics Series", 2023. 110(2): p. 72-78.Blöchl P. E. Projector augmented-wave method // Physical review B. – 1994. – Vol. 50. – No. 24. – P. 17953. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.17953Evarestov, R.A. and A.V. Bandura, First‐principles calculations on the four phases of BaTiO3. Journal of computational chemistry, 2012. 33(11): p. 1123-1130.Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Physical review letters. – 1996. – Vol. 77. – No. 18. – P. 3865. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865Zhang, H.-Y., et al., First-principles study of lattice dynamics, structural phase transition, and thermodynamic properties of barium titanate. Zeitschrift für Naturforschung A, 2016. 71(8): p. 759-768.Bader R.F.W. Atoms in Molecules – A Quantum Theory. – Oxford University Press, Oxford, U.K. – 1990.Kwei, G., et al., Structures of the ferroelectric phases of barium titanate. The Journal of Physical Chemistry, 1993. 97(10): p. 2368-2377.Inerbaev T. M. et al. DFT studies of BaTiO3 // Bulletin of the Karaganda University “Physics Series”. – 2023. – Vol. 110. – No. 2. – P. 72–78. https://doi.org/10.31489/2023ph2/72-78Ravel, B., et al., Local structure and the phase transitions of BaTiO3. Ferroelectrics, 1998. 206(1): p. 407-430.Evarestov R. A., Bandura A. V. First‐principles calculations on the four phases of BaTiO3 // Journal of computational chemistry. – 2012. – Vol. 33. – No. 11. – P. 1123–1130. https://doi.org/10.1002/jcc.22942Chakraborty, A., et al., A comprehensive DFT evaluation of catalytic and optoelectronic properties of BaTiO3 polymorphs. Physica B: Condensed Matter, 2023. 648: p. 414418.Zhang H. Y. et al. First-principles study of lattice dynamics, structural phase transition, and thermodynamic properties of barium titanate // Zeitschrift für Naturforschung A. – 2016. – Vol. 71. – No. 8. – P. 759–768. https://doi.org/10.1515/zna-2016-0149Bhat, D.K., H. Bantawal, and U.S. Shenoy, Rhodium doping augments photocatalytic activity of barium titanate: effect of electronic structure engineering. Nanoscale Advances, 2020. 2(12): p. 5688-5698.Kwei G. H. et al. Structures of the ferroelectric phases of barium titanate // The Journal of Physical Chemistry. – 1993. – Vol. 97. – No. 10. – P. 2368–2377.https://doi.org/10.1021/j100112a043Kwei G. H. et al. Structures of the ferroelectric phases of barium titanate // The Journal of Physical Chemistry. – 1993. – Vol. 97. – No. 10. – P. 2368–2377.https://doi.org/10.1021/j100112a043Ravel B. et al. Local structure and the phase transitions of BaTiO3 // Ferroelectrics. – 1998. – Vol. 206. – No. 1. – P. 407–430. https://doi.org/10.1080/00150199808009173Ravel B. et al. Local structure and the phase transitions of BaTiO3 // Ferroelectrics. – 1998. – Vol. 206. – No. 1. – P. 407–430. https://doi.org/10.1080/00150199808009173Chakraborty A. et al. A comprehensive DFT evaluation of catalytic and optoelectronic properties of BaTiO3 polymorphs // Physica B: Condensed Matter. – 2023. – Vol. 648. – P. 414418. https://doi.org/10.1016/j.physb.2022.414418Chakraborty A. et al. A comprehensive DFT evaluation of catalytic and optoelectronic properties of BaTiO3 polymorphs // Physica B: Condensed Matter. – 2023. – Vol. 648. – P. 414418. https://doi.org/10.1016/j.physb.2022.414418

The authors declare that there are no conflicts of interest present.