Nanocompuestos híbridos grafeno/titania: estudio de la interfaz empleando DFT+U+vdW

SERGIO SCHINCA VANINI; GABRIELA F. CABEZA

Bariloche

Congreso; 107a Reunión Nacional de Física; 2022

Enuna celda de combustible de hidrógeno/oxígeno, todas las reacciones químicastienen lugar en los electrodos ypara acelerar la reacción química, se los recubre con un catalizador. Entre las diferentestecnologías propuestas como electrodos, la atención se ha focalizado en eldesarrollo y uso de materiales utilizados en el campo de la electroquímica comoel grafito y distintos tipos de carbones. El grafeno (G),debido a su excelente conductividad eléctrica y sus propiedades ópticas, podríautilizarse como sustrato soportando nanopartículas de TiO$_{2}$ comocatalizadores dada su estabilidad química, bajo costo y su conocida actividadfotocatalítica [[i][ii][iii]].Algunosmecanismos se han propuesto para explicar el hecho de que los compuestosmuestran un mejor rendimiento que el que tiene cada componente por separado yes la suma de efectos individuales. Este fenómeno se ha atribuido a los efectossinérgicos causados por la interacción interfacial de TiO$_{2}$ y el G [[iv],[v]]. Lareacción catódica de electrorreducción de oxígeno es determinante en el procesoglobal, ya que es mucho más lenta que la electrooxidación del hidrogeno. De ahíla necesidad de desarrollar nuevos materiales nanocatalizadores para obtener lamayor eficiencia energética posible.En este trabajo presentamos los resultados obtenidos de depositar nanopartículas(NP) de (TiO$_{2}$)$_{N}$ con N = 1 – 5 (fórmula unidad) sobre un sustrato de grafenomediante cálculos ab initio DFT + U [[vi]].También consideramos la corrección de Van der Waals para representar lasinteracciones de largo alcance de los átomos de carbono. Previa a la adsorción,las diferentes nanoestructuras de titania fueron optimizadas empleando dinámicamolecular a 300K. Las energías de adsorción van disminuyendo a medida que crecela cantidad de fórmulas unidad desde -3.12 eV/f.u a -0.77 eV/f.u. Observamos una reducción del band gap, respecto de las nanopartículasaisladas, debido a la aparición de estados intermedios. El análisis de lascargas de Bader muestra que la transferencia se ve favorecida cuando los átomosde carbono interactúan directamente con los oxígenos de las nanopartículas.Las propiedades ópticas de las NP seven levemente modificadas por la presencia del sustrato ya que aparecen picosde absorción en el visible no observados en las curvas de adsorción de lasnanopartículas aisladas.[[i]] Zhang,H., Lv, X., Li, Y., Wang, Y., & Li, J. ACS nano, 4(1) (2010),380-386.[[ii]] Akhavan, O., &Ghaderi, E. J. Phys. Chem. C, 113(47)(2009), 20214-20220.[[iii]]Ng, Y. H., et. al. J. Phys.Chem. Lett, 1(15) (2010),2222-2227.[[iv]] H Kim, S Kim, JK Kang, W Choi. J. of Catalysis 309(2014) 49–57.[[v]] Y. Hau Ng, Ian V. Lightcap, K. Goodwin, M.Matsumura, and P. V. Kamat, J. Phys. Chem. Lett. 1 (2010) 2222–2227.[[vi]] Dudarev,et. al. Phys. Rev. B, 57(3) (1998), 1505.