Estudio teórico de las propiedades estructurales, electrónicas y reactivas de la titania dopada con boro y nitrógeno

Abstract

The depletion of the quality of water resources leads to the uncontrolled exploitation of such natural resources, generating the need to find methods to mitigate this problem. An alternative is the elimination of contaminants from effluents through photocatalytic processes. For this purpose, it is necessary to design or improve nanostructures that can be selective towards harmful compounds or reactivity that make the elimination process more environmentally friendly, energetically more efficient, and economical. Currently, through chemical-computational methods, it is possible to study the properties of novel materials modified through substitutional and interstitial doping (B, N, and B-N), which in the future can address emerging problems such as the mitigation and elimination of contaminants from effluents. This research employed first-principles calculations using the Vienna Ab Initio Simulation Package (VASP). From our results, we obtained the most energetically viable modified TiO2 nanosurfaces as well as a study of the electronic properties and reactivity, finding that through the N-TiO2 and NN-TiO2 doping, some valence bands are unoccupied, which causes the level of Fermi moves to lower energies, causing the forbidden bandgap to be smaller than that of pristine TiO2, which is the possibility of photocatalytic activity near the visible region, and the substitution of O atoms for N influences the reactivity of the regions near doping may carry out some type of physisorption with charge-deficient species.

El agotamiento de la calidad de los recursos hídricos conduce a la explotación descontrolada de dicho recurso natural, generando la necesidad de encontrar métodos de mitigación de esta problemática. Una alternativa es la eliminación de contaminantes de los efluentes mediante procesos fotocatalíticos, para tal efecto, es necesario diseñar o mejorar estructuras que puedan ser selectivas hacia compuestos nocivos o que tengan reactividad que permita hacer el proceso de eliminación más amigable con el medio y energéticamente más económico. Actualmente, mediante los métodos químico-computacionales es posible estudiar las propiedades de nuevos materiales modificados mediante dopajes sustitucionales e intersticiales (B, N y B-N), que en un futuro cercano se puedan atender problemas emergentes como la mitigación y eliminación de contaminantes de efluentes, esta investigación se realizó empleando cálculos de primeros principios utilizando el Paquete de Simulación Vienna Ab Initio (VASP). De nuestros resultados obtuvimos las superficies modificadas de TiO2 energéticamente más viables así como un estudio de las propiedades electrónicas y reactividad, encontrando que mediante los dopajes N-TiO2 y NN-TiO2, algunas bandas de valencia son desocupadas, lo cual provoca que el nivel de Fermi se desplace a energías más bajas, provocando que el ancho de banda prohibido sea menor que el del TiO2 prístino, lo cual es posibilidad de actividad fotocatalítica cerca de la región visible, y en la sustitución de O por N incide en la reactividad de las regiones cerca del dopaje puedan llevarse a cabo algún tipo de fisisorción con especies deficientes de carga.