First-Principles Prediction of New Photocatalyst Materials with Visible-Light Absorption and Improved Charge Separation: Surface Modification of Rutile TiO2with Nanoclusters of MgO and Ga2O3
Source abstract
Abstract
Titanium dioxide is an important and widely studied photocatalytic material, but to achieve photocatalytic activity under visible-light absorption, it needs to have a narrower band gap and reduced charge carrier recombination. First-principles simulations are presented in this paper to show that heterostructures of rutil TiO₂ modified with nanoclusters of MgO and Ga₂O₃ will be new photocatalytically active materials in the UV (MgO-TiO₂) and visible (Ga₂O₃-TiO₂) regions of the solar spectrum. In particular, our investigations of a model of the excited state of the heterostructures demonstrate that upon light excitation electrons and holes can be separated onto the TiO₂ surface and the metal oxide nanocluster, which will reduce charge recombination and improve photocatalytic activity. For MgO-modified TiO₂, no significant band gap change is predicted, but for Ga₂O₃-modified TiO₂ we predict a band gap change of up to 0.6 eV, which is sufficient to induce visible light absorption. Comparisons with unmodified TiO₂ and other TiO₂-based photocatalyst structures are presented.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline
Research context
OpenAlex topics: Advanced Photocatalysis Techniques · Ga2O3 and related materials · ZnO doping and properties
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
Affiliations
Tyndall National Institute, University College Cork, Lee Maltings, Prospect Row, Cork, Ireland
References (74)
Show source-provided references
1. Ni M. · Renew. Sust. Energy Rev. · 2007 · 11 · 40110.1016/j.rser.2005.01.009 ↗
2. Fujishima A. · Surf. Sci. Rep. · 2008 · 63 · 51510.1016/j.surfrep.2008.10.001 ↗
3. Nowotny J. · Energy Environ. Sci. · 2008 · 2 · 656
4. Roy S. · ACS Nano · 2010 · 4 · 125910.1021/nn9015423 ↗
5. Jiang Z. · Philos. Trans. R. Soc London, Ser. A. · 2010 · 368 · 3343
6. Yu H. · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 1648110.1021/jp1071956 ↗
7. Murakami N. · Appl. Catal. A · 2008 · 348 · 14810.1016/j.apcata.2008.06.040 ↗
8. Kubacka A. · Chem. Rev. · 2012 · 112 · 155510.1021/cr100454n ↗
9. Di Valentin C. · Chem. Phys. Lett. · 2009 · 469 · 16610.1016/j.cplett.2008.12.086 ↗
10. Di Valentin C. · Chem. Phys · 2007 · 339 · 4410.1016/j.chemphys.2007.07.020 ↗
11. Yu J. G. · Appl. Catal., B · 2009 · 90 · 59510.1016/j.apcatb.2009.04.021 ↗
12. R. Long R. · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 1198410.1021/jp100802r ↗
13. Zheng J. W. · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 706310.1021/jp9115035 ↗
14. Nie X. L. · Int. J. Photoenergy · 2009 · 29404210.1155/2009/294042 ↗
15. Cui Y. · J. Mater. Sci. Technol. · 2008 · 24 · 67510.1179/174328408X270301 ↗
16. Peng H. W. · J. Phys.: Condens. Matter · 2008 · 20 · 125207
17. Iwaszuk A. · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 1299510.1021/jp203112p ↗
18. Gai Y. Q. · Phys. Rev. Lett. · 2009 · 102 · 03640210.1103/PhysRevLett.102.036402 ↗
19. Zhu W. G. · Phys. Rev. Lett. · 2009 · 103 · 2264101
20. Zhang J. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2010 · 2 · 117310.1021/am100011c ↗
21. Yang H. G. · Nature · 2008 · 453 · 63810.1038/nature06964 ↗
22. Liu M. · Chem. Commun. · 2010 · 46 · 166410.1039/b924172h ↗
23. Yang W. · Chem. Commun. · 2011 · 47 · 180910.1039/C0CC03312J ↗
24. Gu L. · Chem. Commun. · 2012 · 48 · 697810.1039/c2cc33163b ↗
25. Dai Y. Q. · Nano Lett. · 2009 · 9 · 245510.1021/nl901181n ↗
26. Qiu J. · J. Hazard. Mater. · 2012 · 211 · 38110.1016/j.jhazmat.2011.10.093 ↗
27. Aprile C. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2008 · 10 · 76910.1039/B712168G ↗
28. Kronawitter C. X. · Energy Environ. Sci. · 2011 · 4 · 388910.1039/c1ee02186a ↗
29. Frame F. A. · J. Am. Chem. Soc. · 2011 · 133 · 726410.1021/ja200144w ↗
30. Law M. · Nat. Mater. · 2005 · 4 · 45510.1038/nmat1387 ↗
31. Y. Cao Y. · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 362710.1021/jp100786x ↗
32. Kong L. · Chem. Commun. · 2011 · 47 · 551210.1039/C1CC10446B ↗
33. Cheng H. · Langmuir · 2010 · 26 · 661810.1021/la903943s ↗
34. Hong S. · Energy Environ. Sci. · 2011 · 4 · 178110.1039/c0ee00743a ↗
35. Cao T. · J. Mater. Chem. · 2011 · 21 · 692210.1039/c1jm10343a ↗
36. V. Bharat V. · ACS Catal. · 2011 · 1 · 92310.1021/cs200137h ↗
37. J. Libera J. · Chem. Mater. · 2010 · 22 · 40910.1021/cm902825c ↗
38. H. Tada H. · Angew Chem., Int. Ed. · 2011 · 50 · 350110.1002/anie.201007869 ↗
39. Jin Q. · J. Phys. Chem C · 2011 · 115 · 647810.1021/jp201131t ↗
40. Q. Jin Q. · Chem. Commun. · 2011 · 47 · 881410.1039/c1cc13096j ↗
41. M. Fujishima M. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2012 · 14 · 70510.1039/C1CP22708D ↗
42. Jin Q. · J. Phys. Chem. C · 2012 · 116 · 1262110.1021/jp302493f ↗
43. Nolan M. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2011 · 13 · 1819410.1039/c1cp21418g ↗
44. Iwaszuk A. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2011 · 13 · 496310.1039/c0cp02030c ↗
45. Nolan M. · Chem. Commun · 2011 · 47 · 861710.1039/c1cc13243a ↗
46. Shao Z. · Mater. Lett. · 2009 · 63 · 170510.1016/j.matlet.2009.05.019 ↗
47. Bandara J. · Colloids Surf., A · 2006 · 276 · 19710.1016/j.colsurfa.2005.10.059 ↗
48. Bandara J. · Appl. Catal., B · 2004 · 50 · 8310.1016/j.apcatb.2003.12.021 ↗
49. Jung H. S. · Appl. Phys. Lett. · 2006 · 88 · 010310710.1063/1.2182096 ↗
50. Tada H. · J. Electrochem Soc. · 2000 · 147 · 61310.1149/1.1393242 ↗
51. Di Valentin C. · J. Phys. Chem. Lett. · 2011 · 2 · 22210.1021/jz2009874 ↗
52. Jedidi A. · Langmuir · 2010 · 26 · 1623210.1021/la101359m ↗
53. Kresse G. · Phys. Rev. B · 1994 · 49 · 142510.1103/PhysRevB.49.14251 ↗
54. Blöchl P. E. · Phys. Rev. B · 1994 · 50 · 1795310.1103/PhysRevB.50.17953 ↗
55. Perdew J. P. · 1991
56. Anisimov V. I. · Phys. Rev. B · 1991 · 44 · 94310.1103/PhysRevB.44.943 ↗
57. Dudarev S. L. · Phys. Rev. B · 1998 · 57 · 150510.1103/PhysRevB.57.1505 ↗
58. Morgan B. J. · Surf. Sci. · 2007 · 601 · 503410.1016/j.susc.2007.08.025 ↗
59. Mulheran P. A. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2010 · 12 · 976310.1039/c002698k ↗
60. Graciani J. · J. Chem. Phys · 2010 · 132 · 10470310.1063/1.3337918 ↗
61. Haertelt M. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2012 · 14 · 284910.1039/c2cp23432g ↗
62. Rahane A. B. · J. Phys. Chem. C · 2012 · 116 · 269110.1021/jp209552a ↗
63. Yamaga M. · Phys. Status Solidi C · 2011 · 8 · 262110.1002/pssc.201084038 ↗
64. Taurian O. E. · Solid State Commun. · 1985 · 55 · 35110.1016/0038-1098(85)90622-2 ↗
65. McKenna K. P. · Phys. Rev. Lett. · 2012 · 108 · 11640310.1103/PhysRevLett.108.116403 ↗
66. Nolan M. · J. Chem. Phys. · 2006 · 125 · 14470110.1063/1.2354468 ↗
67. Scanlon D. O. · J. Phys. Chem. C · 2007 · 111 · 797110.1021/jp070200y ↗
68. Keating P. R. L. · J. Phys. Chem. C · 2012 · 116 · 244310.1021/jp2080034 ↗
69. Morgan B. J. · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 232110.1021/jp9088047 ↗
70. Lany S. · Phys. Rev. B · 2011 · 80 · 08520210.1103/PhysRevB.80.085202 ↗
71. Henkelman G. · Comput. Mater. Sci. · 2006 · 36 · 2510.1016/j.commatsci.2005.04.010 ↗
72. Kowalski P. M. · Phys. Rev. Lett. · 2010 · 105 · 14640510.1103/PhysRevLett.105.146405 ↗
73. Deskins N. A. · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 756210.1021/jp2001139 ↗
74. Chretien S. · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 470510.1021/jp111209a ↗