¿Por qué el dióxido de titanio hidrogenado se vuelve oscuro? Un estudio con DFT

HERMAN HEFFNER; IGNACIO LÓPEZ CORRAL; ÁLVARO MOMBRÚ; RICARDO FACCIO

Buenos Aires

Encuentro; XIX Encuentro de superficies y materiales nanoestructurados NANO2019; 2019

Comisión Nacional de Energía Atómica, Instituto Nacional de Tecnología Industrial

El dióxido de titanio es un semiconductor ampliamente conocido dotado de una gran energía de banda prohibida (Eg),de entre 2,8 y 3,2 eV, dependiendo del polimorfo con el que se trabaje [1,2]. Actualmente se emplea en diversas aplicaciones, tales como celdas solares, sistemas fotocatalíticos y baterías de litio, entre otras. Con la intenciónde reducir el valor de Eg,Chen et al. emplearon una atmósfera de hidrógeno para sintetizar TiO2 hidrogenado, también conocido como Black (B-TiO2), dado que su color cambia de blanco al negro [3]. Luego del proceso de hidrogenación, Egdisminuye en algunos casos hasta 1,5 eV, lo cual se ha atribuido a la presenciade defectos puntuales o a la generación de fases amorfas [3-5].El objetivo del presente trabajo es modelar la incorporación de hidrógeno en anatasa con vacancias de oxígeno (TiO2-VO) a nivel dela teoría del funcional de la densidad (DFT), por aplicación del código VASP, y estudiar cómo influye la hidrogenación en el valor de energía de banda prohibida. Para ello, en primer lugar se obtuvieron las geometrías preferenciales correspondientes a anatasa TiO2-VO tanto en ausencia como en presencia de hidrógeno, y a continuación se evaluaron las propiedades electrónicas y vibracionales de ambos sistemas.En la Figura 1 pueden observarse las curvas de Densidad de Estados (DOS) obtenidas en ausencia de hidrógeno(1a) y luego de absorber dos átomos de hidrógeno en las inmediaciones de la vacancia (1b); también se incluye la DOS correspondiente a anatasa sin VO. En ambas figuras se observa la generación de estados intermedios en la banda de energía prohibida, lo cual, además de disminuir el valor de Eg, permite la absorción de fotones correspondientes al espectro visible, dando lugar al color oscuro del material. Asimismo, puede apreciarse una menor disminución en el valor de Eg en presencia de hidrógeno, la cual podría atribuirse al desarrollo de estados intermedios debidos no sólo a Ti3+, sino también a grupos OH. La generación de estos estados intermedios facilita la promoción de electrones a la banda de conducción, por lo que el B-TiO2 podría resultar sumamente eficiente en fotocatálisis y en aplicaciones de energía solar.