ВЛИЯНИЕ ДОПИРОВАНИЯ Rh НА АКТИВНОСТЬ РЕАКЦИИ ВЫДЕЛЕНИЯ КИСЛОРОДА НА ПОВЕРХНОСТЯХ BaTiO3(001)
https://doi.org/10.52676/1729-7885-2025-1-140-147
Аннотация
Фотоиндуцированное расщепление воды с использованием фотокатализаторов в виде наночастиц является многообещающим и простым способом получения экологически чистого водорода.В настоящей работе мы исследуем потенциал модифицированного титаната бария (BaTiO3), недорогого оксида перовскита, получаемого из широко распространенных на земле прекурсоров, для разработки эффективных электрокатализаторов окисления воды, используя расчеты из первых принципов.
Было показано, что терминированная TiO2 BaTiO3(001) поверхность, является более перспективной с точки зрения ее использования в качестве катализатора. После замены Ti на Rh легирующий ион может перенять часть электронной плотности у соседних ионов кислорода. В результате во время реакции окисления воды ионы родия могут находиться в промежуточной степени окисления между 3+ и 4+. Это влияет на энергию адсорбции промежуточных продуктов реакции на поверхности катализатора, снижая величину избыточного потенциала.
Ключевые слова
Об авторах
А. У. АбуоваАстана
У. Ж. Толеген
Казахстан
Астана
Ф. У. Абуова
Астана
Т. М. Инербаев
Астана
С. А. Нуркенов
Астана
Ж. Е. Зәкиева
Астана
Г. А. Каптагай
Алматы
Список литературы
1. Fujishima, A., & Honda, K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode // Nature. – 1972. – Vol. 238(5358). – P. 37–38.
2. Chen, X., & Mao, S. S. Titanium dioxide nanomaterials: Synthesis, properties, modifications, and applications // Chemical Reviews. – 2007. – Vol. 107(7). – P. 2891– 2959.
3. Grätzel, M. Photoelectrochemical cells // Nature. – 2001. – Vol. 414(6861). – P. 338–344.
4. Kudo, A., & Miseki, Y. Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting // Chemical Society Reviews. – 2009. – Vol. 38(1). – P. 253–278.
5. Singh, D. P., & Zhao, H. Ferroelectric photocatalysis: The influence of polarization on surface chemical reactions // Nano Energy. – 2018. – Vol. 53. – P. 550–561.
6. Chen, D., Cheng, Y. B., & Caruso, R. A. Surface modification of BaTiO₃ nanoparticles and their application in dye-sensitized solar cells // Advanced Functional Materials. – 2010. – Vol. 20(2). – P. 339–345.
7. Lin, X., & Wang, X. BaTiO₃ nanostructures: Controlled synthesis and applications in photocatalysis // Materials Chemistry and Physics. – 2017. – Vol. 198. – P. 168–176.
8. Zhang, Y., & Tang, Z. Advances in BaTiO₃-based photocatalysts for solar-driven water splitting // Journal of Materials Science. – 2019. – Vol. 54(12). – P. 9408–9424.
9. Liu, H., & Zhang, W. (2021). Interface engineering of BaTiO₃ nanoparticles for enhanced photocatalytic performance // Applied Catalysis B: Environmental. – 2021. – Vol. 298, 120580.
10. Kim, T. H., & Park, J. Enhanced charge separation in BaTiO₃ nanostructures through surface modification: A route to high-efficiency photocatalysis // Nano Energy. – 2020. – Vol. 77. – P. 105266.
11. Y.M. Rangel-Hernandez, J. C. Rendón Angeles, Z. Matamoros-Veloza, Kazumichi Yanagisawa. One-step synthesis of fine SrTiO3 particles using SrSO4 ore under alkaline hydrothermal conditions // Chemical Engineering Journal. – 2009. – Vol. 155(s 1–2). – P. 483–492. https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.07.024
12. Vittorio Berbenni, Amedeo Marini, Giovanna Bruni. Effect of Mechanical Activation on the Preparation of SrTiO3 and Sr2TiO4 Ceramics from the Solid State Systems SrCO3–TiO2 // Journal of Alloys and Compounds. – 2001. – Vol. 329(s 1–2). – P. 230–238. https://doi.org/10.1016/S0925-8388(01)01574-2
13. Xiaohua Liu. Haixin Bai. Liquid–solid reaction synthesis of SrTiO3 submicron-sized particles // Materials Chemistry and Physics. – 2011. – Vol. 127(s 1–2). – P. 21–23. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2011.01.056
14. Shuang Zhi Liu. Tian Xi Wang. Li Yun Yang. Low temperature preparation of nanocrystalline SrTiO3 and BaTiO3 from alkaline earth nitrates and TiO2 nanocrystals // Powder Technology. – 2011. – Vol. 212(2). – P. 378–381. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2011.06.010
15. Tao Xian. Hwami Yang. J.-F. Dai. W.-J. Feng. Photocatalytic properties of SrTiO3 nanoparticles prepared by a polyacrylamide gel route // Materials Letters. – 2011. – Vol. 65(21). – P. 3254–3257. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2011.07.019
16. Qi-An Zhu. Jun-Gu Xu. S. Xiang. Zhi-Gang Tan. Preparation of SrTiO 3 nanoparticles by the combination of solid phase grinding and low temperature calcining. March 2011. Materials Letters 65(5):873-875. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2011.07.019
17. Thanawat Klaytae, Phiram Panthong. Preparation of nanocrystalline SrTiO3 powder by sol–gel combustion method // Ceramics International. – 2013. – Vol. 39. – P.405–408. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.10.103
18. Kuang Q, Yang S. Template synthesis of single-crystallike porous SrTiO3 nanocube assemblies and their enhanced photocatalytic hydrogen evolution // ACS Appl Mater Interfaces. – 2013. – Vol. 5. – P. 3683–3690.
19. Xu X, Lv M, Sun X, et al. Role of surface composition upon the photocatalytic hydrogen production of Cr-doped and La/Cr-codoped SrTiO3 // J Mater Sci. – 2016. – Vol. 51. – P. 6464–6473.
20. Ali S, Granbohm H, Ge Y, et al. Crystal structure and photocatalytic properties of titanate nanotubes prepared by chemical processing and subsequent annealing // J Mater Sci. – 2016. – Vol. 51. – P. 7322–7335.
21. Nageri, M.; Kumar, V. Manganese-doped BaTiO3 nanotube arrays for enhanced visible light photocatalytic applications // Mater. Chem. Phys. – 2018. – Vol. 213. – P. 400–405. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.04.003
22. Demircivi, P.; Simsek, E.B. Visible-light-enhanced photoactivity of perovskite-type W-doped BaTiO3 photocatalyst for photodegradation of tetracycline // J. Alloys Compd. – 2019. – Vol. 774. – P. 795–802. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.354
23. Artrith, N.; Sailuam, W.; Limpijumnong, S.; Kolpak, A.M. Reduced overpotentials for electrocatalytic water splitting over Fe- and Ni-modified BaTiO3 // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2016. – Vol. 18. – P. 29561– 29570. https://doi.org/10.1039/C6CP06031E; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27748475
24. Xie, P.; Yang, F.; Li, R.; Ai, C.; Lin, C.; Lin, S. Improving hydrogen evolution activity of perovskite BaTiO3 with Mo doping: Experiments and firstprinciples analysis // Int. J. Hydrogen Energy. – 2019. – Vol. 44. – P. 11695–11704. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.03.145
25. Tanwar, N.; Upadhyay, S.; Priya, R.; Pundir, S.; Sharma, P.; Pandey, O. Eu-doped BaTiO3 perovskite as an efficient electrocatalyst for oxygen evolution reaction // J. Solid State Chem. – 2023. – Vol. 317. – P. 123674. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2022.123674
26. Maeda, K. Rhodium-doped barium titanate perovskite as a stable p-type semiconductor photocatalyst for hydrogen evolution under visible light // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2014. – Vol. 6. – P. 2167–2173. https://doi.org/10.1021/am405293e; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24410048
27. Konta, R.; Ishii, T.; Kato, H.; Kudo, A. Photocatalytic activities of noble metal ion doped SrTiO3 under visible light irradiation // J. Phys. Chem. B. – 2004. – Vol. 108. – P. 8992–8995. https://doi.org/10.1021/jp049556p
28. Nishioka, S.; Maeda, K. Hydrothermal synthesis of rhodium-doped barium titanate nanocrystals for enhanced photocatalytic hydrogen evolution under visible light // RSC Adv. – 2015. – Vol. 5. – P. 100123– 100128. https://doi.org/10.1039/C5RA20044J
29. Закиева Ж.Е., Инербаев Т.М., Абуова А.У., Абуова Ф.У., Мерали Н.А., Толеген У. Ж., Каптагай Г.А.. AbInitio расчеты родий допированной (001) поверхности ромбоэдрической фазы BaTiO3 // Вестник НЯЦ РК. – 2024. – Вып. 2. – C. 104–109.
30. Inerbaev T.M., Zakiyeva Zh.Ye., F.U., Abuova A.U., Nurkenov S.A., Kaptagay G.A. DFT studies of BaTiO3 // Вестник Карагандинского университета. – 2023. P. 72–78].
31. Закиева Ж.Е., Инербаев Т.М., Абуова А.У., Абуова Ф.У., Нуркенов С.А., Каптагай Г.А., Кабдрахимова Г.Д. Влияние допирования Rh на оптическое поглощение поверхности (001) BaTiO3 // Вестник НЯЦ РК. – 2024. – Вып. 2. – С. 185–191.
32. 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
33. 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
34. 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
35. 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
36. Mathew, K.; Sundararaman, R.; Letchworth-Weaver, K.; Arias, T.A.; Hennig, R.G. Implicit solvation model for density-functional study of nanocrystal surfaces and reaction pathways // J. Chem. Phys. – 2014. – Vol. 140. – P. 084106. https://doi.org./10.1063/1.4865107
37. Bader, R.F.W. Atoms in Molecules. A Quantum Theory. – Oxford University Press, Oxford, UK. – 1990.
38. Mom, R.V.; Cheng, J.; Koper, M.T.M.; Sprik, M. Modeling the Oxygen Evolution Reaction on Metal Oxides: The Infuence of Unrestricted DFT Calculations // J. Phys. Chem. C. – 2014. – Vol. 118. – P. 4095–4102.
39. Haynes, W.M. CRCHandbook of Chemistry and Physics, 93rd ed. – CRC Press: Boca Raton, FL, USA. – 2012.
40. Man, I.C., et al., Universality in oxygen evolution electrocatalysis on oxide surfaces // ChemCatChem. – 2011. – Vol. 3(7). – P. 1159–1165.
41. García-Mota, M., et al., Importance of correlation in determining electrocatalytic oxygen evolution activity on cobalt oxides // The Journal of Physical Chemistry C. – 2012. –Vol. 116(39). – P. 21077–21082.
42. 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 Appl. Mater. Interfaces. – 2023. – Vol. 15. – P. 47754–47763. https://doi.org/10.1021/acsami.3c09635; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/37769117
43. Ng, J.W.D.; García-Melchor, M.; Bajdich, M.; Chakthranont, P.; Kirk, C.; Vojvodic, A.; Jaramillo, T.F. Gold-supported cerium-doped NiOx catalysts for water oxidation // Nat. Energy. – 2016. – Vol. 1. – P. 16053. https://doi.org/10.1038/nenergy.2016.53
Рецензия
Для цитирования:
Абуова А.У., Толеген У.Ж., Абуова Ф.У., Инербаев Т.М., Нуркенов С.А., Зәкиева Ж.Е., Каптагай Г.А. ВЛИЯНИЕ ДОПИРОВАНИЯ Rh НА АКТИВНОСТЬ РЕАКЦИИ ВЫДЕЛЕНИЯ КИСЛОРОДА НА ПОВЕРХНОСТЯХ BaTiO3(001). Вестник НЯЦ РК. 2025;(1):140-147. https://doi.org/10.52676/1729-7885-2025-1-140-147
For citation:
Abuova A.U., Tolegen U.Zh., Abuova F.U., Inerbaev T.M., Nurkenov S.A., Zakiyeva Zh.Ye., Kaptagay G.A. EFFECT OF Rh DOPING ON THE ACTIVITY OF THE OXYGEN RELEASE REACTION ON BaTiO3(001) SURFACES. NNC RK Bulletin. 2025;(1):140-147. (In Russ.) https://doi.org/10.52676/1729-7885-2025-1-140-147