ВЛИЯНИЕ ДОПИРОВАНИЯ Rh НА ОПТИЧЕСКОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ (001) BaTiO₃

Титанат бария является одним из наиболее исследованных перовскитных материалов благодаря своей способности к замещению на обоих узлах кристаллической решетки, высокой диэлектрической проницаемости и стабильности. Он обладает множеством выдающихся характеристик, особенно сегнетоэлектрическими и диэлектрическими свойствами, которые могут быть улучшены путем легирования, что делает этот материал подходящим для широкого спектра применений. В настоящей работе исследовано влияние допирования Rh на структурные, оптические свойства и плотность электронных состояний данного соединения. Согласно нашим расчетам, допирование Rh представляет собой метод, который способствует повышению способности BaTiO₃ к поглощению большего количества света и снижению избыточного потенциала, необходимого для окисления воды. Были проведены расчеты плотности электронных состояний с применением гибридного функционала HSE06. Анализ оптических свойств был выполнен на основе матричных элементов с переходным дипольным моментом. Исследования подтвердили, что поверхность (001) BaTiO₃ с терминированным TiO₂ обладает значительным потенциалом для применения в качестве катализатора. Допирование Rh приводит к расширению спектра поглощаемого света на весь видимый диапазон.

1. Shi K., Zhang B., Liu K., Zhang J., Ma G. Rhodium-Doped Barium Titanate Perovskite as a Stable p-Type Photocathode in Solar Water Splitting // ACS Applied Materials & Interfaces. ‒ 2023. ‒ Vol. 15, No. 40. ‒ P. 47754–47763. https://doi.org/10.1021/acsami.3c09635

2. Fujishima A., Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode // Nature. ‒ 1972. ‒ Vol. 238. – No. 5358. ‒ P. 37–38. https://doi.org/10.1038/238037a0

3. Kudo A., Miseki Y. Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting // Chemical Society Reviews. ‒ 2009. ‒ Vol. 38, No. 1. ‒ P. 253–278. https://doi.org/10.1039/B800489G

4. Suntivich J., May K. J., Gasteiger H. A., Goodenough J. B., Shao-Horn Y. A perovskite oxide optimized for oxygen evolution catalysis from molecular orbital principles // Science. ‒ 2011. ‒ Vol. 334. – No. 6061. ‒ P. 1383–1385. https://doi.org/10.1126/science.1212858

5. Castelli I. E., Landis D. D., Thygesen K. S., Dahl S., Chorkendorff I., Jaramillo Vol. F., Jacobsen K. W. New cubic perovskites for one-and two-photon water splitting using the computational materials repository // Energy & Environmental Science. ‒ 2012. ‒ Vol. 5. – No. 10. ‒ P. 9034–9043. https://doi.org/10.1039/C2EE22341D

6. Luo J., Im J.-H., Mayer M. Vol., Schreier M., Nazeeruddin M. K., Park N.-G., Tilley S. D., Fan H. J., Grätzel M. Water photolysis at 12.3% efficiency via perovskite photovoltaics and Earth-abundant catalysts // Science. ‒ 2014. ‒ Vol. 345. – No. 6204. ‒ P. 1593–1596. https://10.1126/science.1258307

7. Royer S., Duprez D., Can F., Courtois X., Batiot-Dupeyrat C., Laassiri S., Alamdari H. Perovskites as substitutes of noble metals for heterogeneous catalysis: dream or reality // Chemical Reviews. ‒ 2014. ‒ Vol. 114. – No. 20. ‒ P. 10292–10368. https://doi.org/doi:10.1021/cr500032a

8. Fan Z., Sun K., Wang J. Perovskites for photovoltaics: a combined review of organic–inorganic halide perovskites and ferroelectric oxide perovskites // Journal of Materials Chemistry A. ‒ 2015. ‒ Vol. 3. – No. 37. ‒ P. 18809–18828. https://doi.org/10.1039/C5TA04235F

9. Mefford J. Vol., Rong X., Abakumov A. M., Hardin W. G., Dai S., Kolpak A. M., Johnston K. P., Stevenson K. J. Water electrolysis on La1− xSrxCoO3−δ perovskite electrocatalysts // Nature Communications. ‒ 2016. ‒ Vol. 7. – No. 1. ‒ P. 11053. https://doi.org/10.1038/ncomms11053

10. Rong X., Parolin J., Kolpak A. M. A fundamental relationship between reaction mechanism and stability in metal oxide catalysts for oxygen evolution // ACS Catalysis. ‒ 2016. ‒ Vol. 6. – No. 2. ‒ P. 1153–1158. https://doi.org/10.1021/acscatal.5b02432

11. Buscaglia V., Buscaglia M. Vol., Canu G. BaTiO3-based ceramics: fundamentals, properties and applications // Encyclopedia of Materials: Technical Ceramics and Glasses. – Elsevier. ‒ 2021. – P. 311–344. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.12132-0

12. Wemple S. 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

13. 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

14. Konta R., Ishii Vol., Kato H., Kudo A. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. Dudarev S. L., Botton G. A., Savrasov S. Y., Humphreys C., Sutton A. P. Electron-energy-loss spectra and the structural stability of nickel oxide: An LSDA+ U study // Physical Review B. ‒ 1998. ‒ Vol. 57. – No. 3. ‒ P. 1505. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.57.1505

21. Maldonado F., Jácome S., Stashans A. Codoping of Ni and Fe in tetragonal BaTiO3 // Computational Condensed Matter. ‒ 2017. ‒ Vol. 13. ‒ P. 49–54. https://doi.org/10.1016/j.cocom.2017.09.002

22. Heyd J., Scuseria G. E., Ernzerhof M. Hybrid functionals based on a screened Coulomb potential // The Journal of Chemical Physics. ‒ 2003. ‒ Vol. 118. – No. 18. ‒ P. 8207–8215. https://doi.org/10.1063/1.2204597

23. Mom R. V., Cheng J., Koper M. Vol., Sprik M. Modeling the oxygen evolution reaction on metal oxides: the infuence of unrestricted DFT calculations // The Journal of Physical Chemistry P. ‒ 2014. ‒ Vol. 118. –No. 8. ‒ P. 4095–4102. https://doi.org/10.1021/jp409373c

24. Bader R. Chem. Re V. 1991, 91, 893.(b) Bader, RFW Atoms in Molecules // A Quantum Theory. ‒ 1990. https://doi.org/10.1021/jp208984n

25. Eglitis R., Vanderbilt D. Ab initio calculations of BaTiO3 and PbTiO3 (001) and (011) surface structures // Physical Review B. ‒ 2007. ‒ Vol. 76. – No. 15. ‒ P. 155439. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.155439

26. Artrith N., Sailuam W., Limpijumnong S., Kolpak A. M. Reduced overpotentials for electrocatalytic water splitting over Fe-and Ni-modified BaTiO3 // Physical Chemistry Chemical Physics. ‒ 2016. ‒ Vol. 18. – No. 42. ‒ P. 29561–29570. https://doi.org/10.1039/C6CP06031E

27. Shirane G., Danner H., Pepinsky R. Neutron diffraction study of orthorhombic BaTiO3 // Physical Review. ‒ 1957. ‒ Vol. 105. – No. 3. ‒ P. 856. https://doi.org/10.1103/PhysRev.105.856

28. Yasuda N., Murayama H., Fukuyama Y., Kim J., Kimura S., Toriumi K., Tanaka Y., Moritomo Y., Kuroiwa Y., Kato K. X-ray diffractometry for the structure determination of a submicrometre single powder grain // Journal of Synchrotron Radiation. ‒ 2009. ‒ Vol. 16. – No. 3. ‒ P. 352–357. https://doi.org/10.1107/S090904950900675X

29. Al-Shakarchi E. K., Mahmood N. B. Three techniques used to produce BaTiO3 fine powder // Journal of Modern Physics. ‒ 2011. ‒ Vol. 2011. https://doi.org/10.4236/jmp.2011.211175

30. Buttner R., Maslen E. Structural parameters and electron difference density in BaTiO3 // Acta Crystallographica Section B: Structural Science. ‒ 1992. ‒ Vol. 48. – No. 6. ‒ P. 764–769. https://doi.org/10.1107/S010876819200510X

31. Xiao C., Jin C., Wang X. Crystal structure of dense nanocrystalline BaTiO3 ceramics // Materials Chemistry and Physics. ‒ 2008. ‒ Vol. 111. – No. 2–3. ‒ P. 209–212. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2008.01.020

32. 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