AB-INITIO РАСЧЕТЫ РОДИЙ ДОПИРОВАННОЙ (001) ПОВЕРХНОСТИ РОМБОЭДРИЧЕСКОЙ ФАЗЫ BaTiO₃

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.

1. Kato 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/jp0255482

2. 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/jp049556p

3. 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/C5TA04843E

4. 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.2.2679

5. 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/10.1063/1.1415766

6. 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.2019.03.145

7. 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/am405293e

8. 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/C5RA20044J

9. 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/D0NA00702A

10. 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.266.5190.1540

11. 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/ja2050315

12. 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.8b10083

13. 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.59.1758

14. 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.54.11169

15. Blöchl P. E. Projector augmented-wave method // Physical review B. – 1994. – Vol. 50. – No. 24. – P. 17953. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.17953

16. 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.77.3865

17. Bader R.F.W. Atoms in Molecules – A Quantum Theory. – Oxford University Press, Oxford, U.K. – 1990.

18. 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/10.31489/2023ph2/72-78

19. 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.22942

20. 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-2016-0149

21. 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/j100112a043

22. Ravel B. et al. Local structure and the phase transitions of BaTiO3 // Ferroelectrics. – 1998. – Vol. 206. – No. 1. – P. 407–430. https://doi.org/10.1080/00150199808009173

23. Chakraborty 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