Propiedades electrónicas de C-TiO2(B) y B-TiO2(B) para aplicaciones fotocatalíticas

HEFFNER, HERMAN; FACCIO, RICARDO; LÓPEZ CORRAL, IGNACIO

Mar del Plata

Congreso; XX Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales; 2022

INTEMA (CONICET-UNMDP)

La titania o dióxido detitanio (TiO2) es uno de los materiales semiconductores más elegidos al momentode diseñar y fabricar dispositivos fotocatalíticos, como celdas solares ysistemas de producción de hidrógeno, gracias a su alta disponibilidad, nulatoxicidad, bajo costo y excelentes propiedades químicas y eléctricas. Enparticular, el polimorfo de bronce o “B” ha generado gran expectativa por suspotenciales aplicaciones en baterías recargables de litio. Sin embargo, el TiO2tiene un valor de energía de banda prohibida (Eg) relativamente elevado: 3,2 eVpara anatasa; 3,0 eV para rutilo yentre 3,0–3,2 eV para el polimorfo de bronce, por lo que su espectro de absorciónestá restringido a la región UV. Dado que en este tipo de dispositivos lamáxima absorción de luz solar es clave en términos de eficiencia, uno de losprincipales objetivos al considerar la aplicación del TiO2 en sistemasfotocatalíticos consiste en disminuir su rango de banda prohibida para ampliarel espectro de absorción hacia la región visible–infrarroja.En este trabajo, se estudiómediante la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) el comportamientoelectrónico de TiO2(B) dopado con carbono y con boro, con el objetivo decomprender los cambios producidos por el dopaje sustitutivo sobre laspropiedades estructurales y electrónicas de potenciales materialesfotocatalíticos basados en bronce de titania. Para ello se hizo uso del códigoVASP, en el marco del modelo de Hubbard. En primer lugar, se modelaron sistemasdopados en sitios de oxígeno (C@O y B@O) de la fase bulk de TiO2(B), luego secalculó la energía de formación (Ef) para obtener los sitios preferenciales dedopaje, y finalmente se evaluó la densidad de estados (DOS) en los sistemasoptimizados más estables.Los resultados obtenidosindican que las sustituciones que menos energía requieren tienen lugar en lossitios O3C1 y O2C, tanto para carbono como para boro. En ambos casos, el dopadoposee una marcada influencia sobre las propiedades electrónicas del TiO2(B). Sibien no se registraron disminuciones significativas en el valor de Eg para lossistemas B–TiO2(B), en coincidencia con resultados experimentales sobre anatasa,por el contrario se verificó para todos los sistemas la introducción de estadosde impureza en la banda de energía prohibida (ver Figura 1), lo cual conduce aun notorio desplazamiento del máximo de absorción hacia la región IR delespectro. En el caso del modelo B@O3C1 se obtuvo asimismo una gran distorsiónestructural, debido a que el átomo de boro migró desde un sitio sustitucional auna posición intersticial, lo cual se encuentra en consonancia con estudiosprevios tanto teóricos como experimentales sobre anatasa y rutilo. De estaforma, el estudio realizado sugiere que el dopado de TiO2(B) con átomos decarbono o de boro conduce a un aumento significativo en la absorción de luz.Sin embargo, debido a la introducción de estados de impureza, resultaimprescindible considerar un adecuado diseño optoelectrónico para así disminuirlos efectos negativos asociados a la pérdida de portadores de carga porrecombinación.