Electronic structures of hydroxylated low index surfaces of rutile and anatase-type titanium dioxide

文献情報

出版日 2022-05-27
DOI 10.1039/D1CP04729A
インパクトファクター 3.676
著者

Lu Wu, Jin Lin, Linyuan Ren, Qianni Li, Xin Chi, Ling Luo, Ming-Hua Zeng


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要旨

Different surface planes of various types of titanium dioxide (TiO2) crystals have diverse catalysis effects on the splitting of H2O and H2 and the electronic structures of the formed hydroxylated TiO2 vary significantly. A series of sixteen types of hydroxylated TiO2 surfaces containing two types of hydroxyls (OH1 and OH2) on four kinds of low index surfaces [(001), (100), (101), and (110)] of two types of crystals [anatase (A) and rutile (R)] are studied using first-principles density functional theory calculations. The catalyzed splitting of H2O and H2 on the eight low index surfaces is compared using Gibbs free energy. The geometries and electronic structures including the total and partial density of states and the charge density distribution of the sixteen hydroxylated surfaces are systematically described. The electronic structures of R-101, R-001, A-110, A-100, and A-001 surfaces are more significantly influenced by hydroxylation than other surfaces and the effects of OH2 are larger than those of OH1. In particular, the band gap values decrease and a new electronic energy state appears in R-001-OH2 and A-100-OH2. A new electronic state appears in the middle of the bands of R-101 and A-110 surfaces upon hydroxylation. The electron spin balance at the edge of the conduction band minimum of A-001-OH2 is disturbed. This research can provide theoretical guidance for experimental researchers to design surface hydroxylated TiO2 materials with tunable electronic structures and high catalytic performance.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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