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

金红石 密度泛函理论 锐钛矿 二氧化钛 电子结构 羟基化 带隙 类型(生物学) 计算化学 材料科学 化学 催化作用 化学物理 光催化 有机化学 光电子学 冶金 生物 生态学
作者
Wu Lu,Lin Jin,Linyuan Ren,Qianni Li,Xin Chi,Ling Luo,Yuexing Zhang,Ming‐Hua Zeng
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:24 (24): 15091-15102 被引量:9
标识
DOI:10.1039/d1cp04729a
摘要

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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