Theoretical Study of the Pt/TiO2 Interface in Photocatalytic Systems

Abstract

O presente trabalho apresenta um estudo das propriedades estruturais e eletrônicas do T iO 2 , F e - doped T iO 2 , P t(1 1 1)/T iO 2 (hkl) interface, e P t 3 (1 1 1)/T iO 2 (hkl) interface, sondando as propriedades fotocatlíticas a partir de uma abordagem teórica. O estudo dos materiais tem como partida a caracterização por difração de raio-X, onde foi in- dexado picos relacionados as fases T iO 2 - anatase, T iO 2 - rutilo, e P t. As fases anatase e rutilo T iO 2 dopadas com Fe, P t(1 1 1)/T iO 2 (hkl) interface, e P t 3 (1 1 1)/T iO 2 (hkl) interface, foram investigadas usando uma abordagem experimental e teórica, e as fases caracterizadas por difração de raios-X com refinamento Rietveld. As propriedades eletrônicas foram caracterizadas usando cálculos DFT/ondas planas. A reação de di- visão da água nas superfícies anatase (0 1 0) T iO 2 e T iO 2 -F e foi investigada. As energias de ativação de 0,29 eV e 0,08 eV foram estimadas para estruturas de anatase pura T iO 2 e anatase T iO 2 -F e. A partir do refinamento de Rietveld, foram analisados as deformações na rede cristalina das fases utilizando a análise do µstrain, onde observa-se que a fase T iO 2 - anatase sofre maior deformação em relação a fase P t, como pode ser observado nos valores calculados de bulk modulus (B 0 ), visto que B 0−P t > B 0−T iO 2 . A simulação do material ocorreu utilizando os parâmetros cristalográficos obtidos previamente com o refinamento de Rietveld. O estudo da interface P t(1 1 1)/T iO 2 (h k l) foi realizado considerando dois planos da fase T iO 2 , (1 0 1) e (0 0 1), os quais foram observados no refinamento de Rietveld. A partir da análise de PDOS da interface, foi observado um novo estado eletrônico entre as bandas de valência e banda de condução da fase T iO 2 , atribuído à fase P t. A modelagem teórica da interface P t 3 (1 1 1)/T iO 2 (h k l) considerando a fração de aproximadamente 60% da fase T iO 2 e 40% da fase F aseP t determinada no refinamento Rietveld. A interface P t 3 (1 1 1)/T iO 2 (1 0 1) apresentou a menor energia de ativação para divisão da molécula de hidrogênio de 0,19 eV com caráter exotérmico. Para a divisão da água, ambas as interfaces P t 3 (1 1 1)/T iO 2 (h k l) apresentaram a mesma energia de ativação ∼ 1,4 eV com caráter endotérmico.