Calculation of the electronic absorption spectrum of a nanocluster (TiO2)15 doped with a nitrogen atom

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

At the initial stage of the formation of titanium dioxide nanoparticles, clusters of ( TiO 2) n are formed, which, due to their unique electronic structures, may have an increased reactivity in comparison with large nanoparticles. The quantum chemical calculation of the equilibrium geometry of clusters ( TiO 2)15 and Ti 15 O 29 N 1 of the rutile modification was performed using the density functional theory methods. Using the nonstationary density functional theory in the TD DFT/B3LYP/6-31G(d) approximation, the electronic absorption spectra of clusters in vacuum and aqueous medium are calculated. The Ti 15 O 29 N 1 cluster doped with a nitrogen atom is characterized by the presence of absorption bands with wavelengths mainly in the visible region of the spectrum (430-780 nm) and a significant decrease in the Egap energy gap between the lower vacant and higher occupied molecular orbitals in comparison with ( TiO 2)15. The influence of the position of the nitrogen atom in the central TiO 6 fragment of the Ti 15 O 29 N 1 cluster on the Egap value, the shift of the electronic absorption spectrum and the maximum strength of the fmaxoscillator among 30 electronic transitions is shown. It has been found that when taking into account the aquatic environment, the positions of the absorption bands in the electronic spectra shift to the region of shorter wavelengths. For transitions with the highest oscillator strength, the presence of an aqueous medium leads to a significant increase in the fmax value.

About the authors

Gennady P. Mikhailov

Ufa University of Science and Technology

Email: gpmikhailov@mail.ru
Dr. Sc., Professor, Department of Materials Science and Physics of Metals

References

  1. Zavatski, S. Density functional theory for doped TiO2: current research strategies and advancements / S. Zavatski, E. Neilande, H. Bandarenka et.al. // Nanotechnology. - 2024. - V. 35. - № 19. - Art. № 192001. - 28 p. doi: 10.1088/1361-6528/ad272e.
  2. Du, S. Visible light-responsive N-doped TiO2 photocatalysis: synthesis, characterizations, and applications / S. Du, J. Lian, F. Zhang // Transactions of Tianjin University. - 2022. - V. 28. - I. 1. - P. 33-52. doi: 10.1007/s12209-021-00303-w.
  3. Пат. 2789160 Российская Федерация, МПК B01J 35/00 (2006.01) и др. Легированные азотом наночастицы TiO2 и их применение в фотокатализе / Бальди Д., Никколай Л. и др.; заявитель и патентообладатель КОЛОРОББИА КОНСАЛТИНГ С.Р.Л. (IT). - № 2020137621; заявл. 02.05.19; опубл. 30.01.23, Бюл. № 4. - 3 с.
  4. Qu, Z.-w. Theoretical study of stable, defect-free (TiO2)n nanoparticles with n=10-16 / Z.-w. Qu, G.-J. Kroes // The Journal of Physical Chemistry C. - 2007. - V. 111. - I. 45. - P.16808-16817. doi: 10.1021/jp073988t.
  5. Cossi, M. Energies, structures, and electronic properties of molecules in solution with the C-PCM solvation model / M. Cossi, N. Rega, G. Scalmani et al. // Journal of Computational Chemistry. - 2003. - V. 24. - I. 6. - P. 669-681. doi: 10.1002/jcc.10189.
  6. Frisch, M.J. Gaussian 09 (Revision D.01) / M.J. Frisch, G.M. Trucks et al. - Wallingford: Gaussian Inc., 2013.
  7. Chemcraft - graphical software for visualization of quantum chemistry computations. Version 1.6. - Режим доступа: www.chemcraftprog.com. - 1.09.2024.
  8. Kakil, S. Theoretical and experimental investigation of the electronic and optical properties of pure and interstitial nitrogen-doped (TiO2)n cluster / S. Kakil, H.Y. Abdullah, T.G. Abdullah // Preprint posted 17.11.2021. doi: 10.21203/rs.3.rs-975265/v1.
  9. Ansari, S.A. Nitrogen-doped titanium dioxide (N-doped TiO2) for visible light photocatalysis / S.A. Ansari, M.M. Khan, M.O. Ansari, M.H. Cho. // New Journal of Chemistry. - 2016. - V. 40. - I. 4. - P. 3000-3009. doi: 10.1039/c5nj03478g.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».