Estudio teórico de las propiedades de titania codopada con N-Pt o C-Pt empleando DFT+U

GABRIELA F. CABEZA; CECILIA I. N. MORGADE

Tandil

Congreso; 99ª Reunión Nacional de Física; 2014

Asociación Física Argentina

La titania (TiO2) ha sido ampliamente estudiada al ser un fotocatalizador promisorio tanto en producción de hidrógeno como en remediación medioambiental. Es además un material de bajo costo, no tóxico y fotoestable. Desafortunadamente posee una banda prohibida amplia (3,2 eV)  lo que produce que la absorción de la radiación necesaria para su activación se limite al 4% de la radiación total. Por lo expuesto, para mejorar su actividad dentro del espectro de luz visible, fueron estudiados diferentes elementos dopantes tanto para disminuir el ancho de banda prohibida (BG) como extender la vida media de los transportadores de carga. La fotorreactividad es críticamente dependiente de los defectos que presenta el material. En la actualidad se ha hallado que el dopado mixto con metales de transición y no metales mejora ampliamente la inhibición de la recombinación de los transportadores de carga y para su proposición es necesario conocer con precisión cuáles son los aportes que cada átomo dopante provee al sistema. Uno de los objetivos de nuestro estudio es aportar resultados basados en la representación rigurosamente optimizada del sistema utilizando el código VASP [1] dentro del formalismo de la Teoría de la Funcional Densidad, con la inclusión del coeficiente de Hubbard (DFT+U) actuando sobre los estados 3d del Ti. En particular, el polimorfo elegido es la anatasa por ser catalíticamente más activa, co-dopada con un metal (Pt) y un no metal (N, C). Los cálculos han sido realizados para el sistema dopado individualmente con N, C y Pt y para los mismos co-dopados entre no metal y metal. Cabe destacar que además no se conocen al presente estudios sobre dopado sustitucional con Pt ya que los registrados en la bibliografía corresponden a Pt soportado. Los resultados muestran que para todos los casos estudiados el ancho de la banda prohibida disminuye, en particular es mayor cuando se consideran dopados mixtos que dopados simples. Los estados de defectos presentes en el gap dependen del elemento dopante pero también de su concentración. Para concentraciones de Pt de aproximadamente 25 % de sustitución de los átomos de Ti (8,3 % de los átomos totales) los sistemas se convierten prácticamente en conductores. La diferencia principal para ambos sistemas codopados radica en las cargas que adquieren el C y el N cuando sustituyen al mismo O así como en los valores de energía de formación del defecto. La carga es más negativa cuando el dopante no metálico es N quien a su vez positiviza a los Ti primeros y segundos vecinos al N; mientras que cuando el no metal codopante es C sólo se positivizan los Ti más cercanos al mismo. Con respecto a las cargas que adquiere el Pt ésta es mayor (1,78 e) cuando se encuentra como codopante junto al N que cuando lo hace junto al C (1,74 e) en comparación a cuando está solo como dopante (1.73 e). En ambos casos los O coordinados al Pt se positivizan siendo esta característica mayor para los ubicados en posición ecuatorial (de -1.37e a -1e) en comparación a los ubicados a la posición apical (-1,18e).