РОДИЙ ҚОСПАСЫНЫҢ BaTiO₃ (001) БЕТІНЕ ОПТИКАЛЫҚ ЖҰТЫЛУЫНА ӘСЕРІ

Барий титанаты кристалдық тордың екі түйінінде де алмастыру қабілетіне, жоғары диэлектрлік өткізгіштігіне және тұрақтылығына байланысты ең көп зерттелген перовскит материалдарының бірі болып табылады. Ол көптеген көрнекті сипаттамаларға ие, әсіресе сегнетоэлектрлік және диэлектрлік қасиеттерге ие, оларды қоспалау арқылы жақсартуға болады, бұл материалды көптеген қосымшаларға қолайлы етеді. Бұл жұмыста Rh қоспаланған осы қосылыстың құрылымдық, оптикалық қасиеттері және электронды күйлерінің тығыздығына әсері зерттелді. Біздің есептеулерімізге сәйкес, Rh қоспалау BaTiO₃-дің көбірек жарық сіңіру қабілетін арттыруға және судың тотығуы үшін қажет артық потенциалды төмендетуге ықпал ететін әдіс. Осы жұмыста HSE06 гибридті функционалын қолдана отырып, электрондық күйлердің тығыздығын есептеу жүргізілді. Оптикалық қасиеттерді талдау өтпелі диполь моменті бар матрицалық элементтер негізінде жүргізілді. Зерттеулер TiO₂ терминациясы бар (001) BaTiO₃ беті катализатор ретінде қолдану үшін айтарлықтай потенциалы бар екенін растады. Rh қоспалау жұтылатын жарық спектрінің бүкіл көрінетін диапазонға кеңеюіне әкеледі.

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