ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗ ПЕРВЫХ ПРИНЦИПОВ МОДИФИКАЦИИ ТИТАНАТА БАРИЯ УГЛЕРОДОМ

Структуры, основанные на атомарно тонком углероде и созданные путем объединения двух или более графеноподобных материалов с чередующимися оксидными перовскитами, изменяют свойства исходных материалов и создают материал с новыми гибридными свойствами, которые, в свою очередь, служат предпосылкой для проектирования функциональных материалов и наноструктур. Прочные ковалентные связи обеспечивают стабильность поверхности 2D-кристаллов, а связь между различными слоями опосредуется Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями.

Углеродные материалы и наноструктурированные ферроэлектрические перовскиты, включая титанат бария, ферромагнитный (La_2/3Sr_1/3MnO₃, SrRuO₃), гетероструктуры на основе оксидов переходных металлов, являются новыми мультифункциональными для ячеек памяти, квантовых компьютерных элементов, анодов Li-ионных батарей, фотокатализаторов, суперконденсаторов, транзисторов, сенсорных материалов, солнечных элементов, топливных элементов, электрохромных устройств является перспективным для разработки материалов. В работе исследовано влияние метода теории функционала плотности на структурные и энергетические свойства углеродной смеси на поверхности ВаТіО₃, которые теоретически значимы для каталитических целей, в сочетании с методом псевдопотенциала на основе плоских волн. На основе теории функционала плотности был изучен процесс адсорбции титаната бария на чистой и легированной атомами углерода поверхности TiO₂ – концевой (001) в результате модификации атомами углерода с постепенным увеличением концентрации. Наиболее эффективными местами на поверхности TiO₂ – концевой (001) были места «поверхности Ti», и при распределении величины концентрации углерода на каждый TiO₂ определялась плотность состояния в порядке расположения графеновой структуры от 0,125 до 0,75, а ширина запрещенной зоны уменьшалась на 0,27–2 эВ по сравнению с чистой поверхностью для рассматриваемых структур. На чистой поверхности энергия адсорбции была −0,5 эВ для атомарного кислорода, адсорбированного вблизи энергетически эффективного места, определенного для углерода, и −2,12 эВ для молекулярного. Для атомарного кислорода, адсорбированного на поверхности, легированной углеродом, энергия адсорбции уменьшилась на −0,2 эВ, а для молекулярного – на −0,4 эВ.

1. S. Kappadan, S. Thomas and N. Kalarikkal Enhanced photocatalytic performance of BaTiO3/g −C3N4 heterojunction for the degradation of organic pollutants // Chemical Physics Letters. –2021. – V. 771. – art. id. 138513. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2021.138513

2. S. Alex Pandian, M. Sivakumar, M. Kandasamy, S. Suresh, G. Madhavi Latha, S. Srinivasan, K. Prem Ananth Barium titanate nanorods/nanoparticles embedded reduced graphene oxide nanocomposite photoanode for dye −sensitized solar cell // Chemical Physics Letters. – 16 September 2024. – V. 851. – art. id. 141491.

3. Monisha Rastogi, Chris Bowen, H.S. Kushwaha and Rahul Vaish First principles insights into improved catalytic performance of BaTiO3 − graphene nanocomposites in conjugation with experimental investigations // Materials Science in Semiconductor Processing. – 2016. – V. 51. – P. 33. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2016.04.008

4. Kaptagai G.A., Satanova B.M., Abuova F.U., Koilyk N.O., Abuova A.U., Nurkenov S.A., Zharkymbekova A.P. Optical properties of low-dimensional systems: methods of theoretical study of 2D materials // NNC RK Bulletin. – 2022. – No. 4. – P. 35–40. https://doi.org/10.52676/1729-7885-2022-4-35-40

5. Satanova B.M., Kaptagay G.A., Zharkymbekova A.P., Abuova F.U., Abuova A.U., Assylbayev R.N., Koylyk N.O., Tugelbayeva K.T. Ab-initio calculations of rhombohedral BaTiO3 (111) surface combined with graphene films // NNC RK Bulletin. – 2023 – No. 4 – P. 91–97. https://doi.org/10.52676/1729-7885-2023-4-91-97

6. Kaptagay, G.A.; Satanova, B.M.; Abuova, A.U.; Konuhova, M.; Zakiyeva, Z.Y.; Tolegen, U.Z.; Koilyk, N.O.; Abuova, F.U. Effect of rhodium doping for photocatalytic activity of barium titanate // Opt. Mater. X. – 2025. – V. 25. – art. id. 100382.

7. Hadeer k. El Emam, S. I. El −Dek and Waleed M. A. El Rouby aerosol spray assisted synthesis of ni doped batio3 hollow porous spheres/graphene as photoanode for water splitting // J. Electrochem. Soc. – 2021. – V. 168. – art. id. 050540. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ac001e

8. Yongjie Zhao, Xiaowei Zhang, Jialin Liu, Chengzhi Wang, Jingbo Li and Haibo Jin Graphene oxide modified nano-sized BaTiO3 as photocatalyst // Ceramics International. – 2018. – V. 44. – art. id. 15929. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.06.013

9. Horacio Edgardo Garrafa-Gálvez, Clemente Guadalupe Alvarado-Beltrán, Jorge Luis Almaral-Sánchez, Abel Hurtado-Macías, Angélica María Garzon-Fontecha, Priscy Alfredo Luque and Andrés Castro-Beltrán Graphene role in improved solar photocatalytic performance of TiO2 −RGO nanocomposite // Chemical Physics. – 2019. – V. 521. – art. id. 35. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2019.01.013

10. B. Murali, K. Gireesh Baiju, R. Krishna Prasad and Duraisamy Kumaresan Fabrication of Barium Titanate Nanowires −GNP Composite Bilayer Photoanodes for the High-Performance Dye-Sensitized Solar Cells // Applied Surface Science. – 2023. – V. 610. – art. id. 155316. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155316

11. Z. Mengting, T. Agustiono Kurniawan, S. Fei, T. Ouyang, M. Hafiz Dzarfan Othman, M. Rezakazemi and S. Shirazian Applicability of BaTiO3/graphene oxide (GO) composite for enhanced photodegradation of methylene blue (MB) in synthetic wastewater under UV-vis irradiation // Environmental Pollution. – 2019. – V. 255. – art. id. 113182. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.113182

12. Y. Li, W. Yang, S. Ding, X.-Z. Fu, R. Sun, W.-H. Liao and C.-P. Wong Tuning dielectric properties and energy density of poly(vinylidene fluoride) nanocomposites by quasi core–shell structured BaTiO3@graphene oxide hybrids // J Mater Sci: Mater Electron. – 2018. – V. 29. – art. id. 1082. https://doi.org/10.1007/s10854-017-8009-9

13. D. Krishna Bhat, H. Bantawal, Uma P.I. and U. Sandhya Shenoy Enhanced photoresponse and efficient charge transfer in porous graphene − BaTiO3 nanocomposite for high performance photocatalysis // Diamond and Related Materials. – 2023. – V. 139. – art. id. 110312. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110312

14. Y.-H. Li, Z.-R. Tang and Y.-J. Xu Multifunctional graphene-based composite photocatalysts oriented by multifaced roles of graphene in photocatalysis / Chinese Journal of Catalysis. – 2022. – V. 43. – art. id. 708. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(21)63871-8

15. P. Blyweert, A. Zharov, D. Meisak, A. Plyushch, J. Macutkevic Electromagnetic properties of 3D-printed carbon-BaTiO3 composites // Appl. Phys. Lett. – 2023. – V. 123. – art. Id. 012903. https://doi.org/10.1063/5.0145532

16. Q. Tang, J. Wu, D. Kim, C. Franco, A. Terzopoulou, A. Veciana, J. Puigmartí‐Luis, X.‐Z. Chen, Bradley J. Nelson and S. Pané Enhanced piezocatalytic performance of BaTiO3 nanosheets with highly exposed {001} facets // Adv. Funct. Materials. – 2022. – V. 32. https://doi.org/10.1002/adfm.202202180

17. S. Alex Pandian and M. Sivakumar Barium titanate perovskite nanoparticles integrated reduced graphene oxide nanocomposite photoanode for high performance dye −sensitized solar cell // Results in Chemistry. – 2023. – V. 6. – art. id. 101091. https://doi.org/10.1016/j.rechem.2023.101091

18. S. Alex Pandian and M. Sivakumar Ab-initio simulation package for quantum modeling // Phys. Rev. B. – 1999. – V. 59. – P. 558–561.

19. G. Kresse, J. Furthmüller Vasp-code // Phys. Rev. B. – 1996. – V. 54. – P. 11169–11186.

20. P.E. Bloch // Phys. Rev. B. – 1994. – V. 50. – P. 17953– 17959.

21. J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof Functional for the generalized-gradient approximation // Phys. Rev. Lett. – 1996. – V. 77. – P. 3865–3868.

22. H.J. Monkhorst, J.D. Pack Special points for Brillouinzone integrations // Phys. Rev. B. – 1976. – V. 13. –P. 5188–5192.

23. Satanova, B. BaTiO3 (001) бетіндегі оттегінің адсорбциялануына көміртегін қоспалауды алғашқы қағидалардан зерттеу. Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия Ұлттық Университетінің хабаршысы. Физика. Астрономия сериясы. – 2025. – № 150(1). – С. 204–218. https://doi.org/10.32523/2616-6836-2025-150-1-204-218