РОДИЙ ҚОСПАЛАНҒАН РОМБОЭДРЛІК BaTiO₃ ФАЗАСЫ (001) БЕТІНІҢ AB-INITIO ЕСЕПТЕУЛЕРІ

Күн сәулесі арқылы суды сутегі мен оттегіге бөлу үшін тиімді, тұрақты және үнемді фотокаталитикалық жүйелерді әзірлеу жаңартылатын көздерден отын мен химиялық заттарды өндірудің болашағы үшін стратегиялық маңызды бағыт болып табылады. Судың ыдырауы жаңартылатын сутекті тұрақты өндірудің және жаһандық энергетикалық және экологиялық дағдарысты шешудің перспективалық стратегиясы болып табылады. Алайда, бұл әдісті кеңінен қолдану күн жүйесі арқылы судың ыдырауының төмен тиімділігі мен жоғары шығындарымен шектеледі. Үнемді, тиімді және тұрақты фотокатализаторларды табу күн сәулесі арқылы судың ыдырау технологияларын дамытудың негізгі бағыты болып табылады. Перовскит негізіндегі фотокатализаторлар соңғы кездері қарапайым құрылымы мен құрамының икемділігіне байланысты судың күн сәулесі арқылы ыдырау процестерінде қолдануға айтарлықтай назар аударды. BaTiO3 пайдаланатын ауқымы кең электрондық құрылымын оңай өзгетруге болатын перспективалы фотокатализатор болып табылады. Бастапқыда тыйым салынған аймақтың кең болуына байланысты нашар фотокатализатор деп есептелді, сондықтан бұл материал тыйым салынған аймақтың енін азайтуға бағытталған әртүрлі стратегиялардың объектісіне айналды. Бұл жұмыста біз перовскиттің (001) BaTiO3 бетінің электронды құрылымына Rh қоспасының әсерін зерттейміз. Теориялық нәтижелер Rh атомдары екі позицияда бір уақытта немесе тек Ti позициясын немесе Ba позициясын ала алатындығын көрсететіндіктен, екі шарт үшін электронды құрылым модельденген. Rh атомдары бір Ba позициясын және бір Ti позициясын алған кезде, электронды құрылым Ферми деңгейінен жоғары акцепторлық деңгейдің болуын көрсетеді, бұл материалдың тыйым салынған аймағының енін тиімді азайтады.

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