METĀLU OKSĪDU NANOSTRUKTŪRU NOVĒRTĒŠANA PIELIETOŠANAI FOTOKATALĪZĒ, IZMANTOJOT MODELĒŠANU NO PIRMAJIEM PRINCIPIEM
Dr.chem. Jurijs Žukovskis (LU CFI Cietvielu elektronu struktūru datormodelēšanās laboratorija)
Starptautiskā ERA.Net RUS Plus projekta ietvaros LU CFI Cietvielu elektronu struktūru datormodelēšanās laboratotijā tiek pētītas metālu oksīdu (SrTiO3,TiO2 un ZnO) nanocauruļu un nanovadu zonu struktūras (aizliegto zonu diapazonā) un to saistība ar optiskās ierosmes spektriem redzamās gaismas diapazonā (1.5-2.8 eV). Tas ir svarīgi ūdens molekulu disociācijai elektroķīmijas sistēmā, kurā iekļauj nanoelektrodus un elektrolītu šķīdumu. Metālu oksīdu aizliegtās zonas platums atbilst ultravioletās gaismas diapazonam, tās nozīme kā H2O molekulu fotodisociācija redzamajā gaismā nav iespējamā, ja elektrodu materiāli tiek raksturoti tilpuma mērogā. Turklāt nanoelektrodi tīrā veidā arī neparedz to pielietojumu fotokatalīzē. Tikai modificējot metālu oksīdu nanostruktūras ar noteiktiem punktveida defektiem, t.sk. piemaisījumiem, mēs varam sašaurināt aizliegtu zonu platumu līdz redzamās gaismas diapazonam.
Turklāt, piemērotās aizliegtās zonas malas izvelētam nanostruktūrām jāsaskaņo ar tā saucamajām reducēšanās (H+/H2) un oksidēšanās (O2/H2O) potenciāliem (4.44 eV un 5.67 eV, attiecīgi), kuriem jābūt izvietotiem attiecīgās aizliegtās zonās Δεgap diapazonos. Piemēram, ja mēs novērtējam TiO2 anatāza tipa (101) un (001) orientētas nanocaurules fotokatalītiskiem pielietojumiem, tieši to dopēšana ar punktveida CO, FeTi, NO un SO piemaisījumiem vai NO+SO dopantu dimēriem noved pie Δεgap samazināšanas no 3.2 eV titāna dioksīda tilpumā (ar ~1% efektivitātes saules spektra enerģijas konvertāciju). Savukārt, NO un SO-dopētās TiO2 nanocaurulēs, pateicoties defektu līmeņiem aizliegtajā zonā, tās platums samazinās līdz pat 2.4 - 2.5 eV ar ~15% saules spektra enerģijas konvertāciju. Starpības starp aizliegto zonu malām (vadāmības zonas CB apakšām un valences zonas VB virsotnei, attiecīgi) augstākiem aizņemtiem un zemākiem neaizņemtiem līmeņiem tajā paša intervālā inducētiem dopētās nanocaurulēs saskaņā ar pareizu šo līmeņu izvietošanos atkarībā no reducēšanās un oksidēšanās potenciāliem, varētu aprakstīt ar sekojošo nevienādību: εVB < εHOIL < εO2/H2O < εH+/H2 < εLUIL < εCB.
Mēs analizējam pielietojamību liela mēroga elektronu struktūru aprēķiniem no pirmajiem principiem dopētiem SrTiO3, TiO2 un ZnO nanocaurulēm un nanovadiem šo materiālu pielietošanai fotokatalīzes reakcijās. Tiek analizēti arī attiecīgie modeļi un aprēķinu metodes.
