Estudio de las propiedades electrónicas y estructurales de la heterounión TiO2-ZrO2

Abstract

Para describir las propiedades electrónicas y estructurales de la anatasa (TiO2) y la zirconia (ZrO2), así como la formación de la heterounión entre ambos óxidos, se empleó la teoría de funcionales de la densidad (DFT, por sus siglas en inglés). Se reporta que la heterounión TiO2-ZrO2 presenta propiedades fotocatalíticas superiores a los óxidos por separado, principalmente para la oxidación de compuestos orgánicos estables. El objetivo de este trabajo fue caracterizar, electrónica y estructuralmente, la heterounión para estudiar el rol de las vacancias de oxígeno en la actividad fotocatalítica. Además, se estableció una metodología que nos permite diseñar materiales híbridos que sean activos en la región visible del espectro electromagnético. Para caracterizar el tipo de heterounión que presenta el sitema TiO2-ZrO2, se alinearon las bandas de energía utilizando la función trabajo para cada uno de los óxidos. Con la metodología teórica empleada en este trabajo, es decir los tipos de aproximaciones utilizadas, se reprodujeron las características que hacen que el material TiO2-ZrO2 sea clasificado como una heterounión tipo I. En donde la brecha de energía prohibida de la anatasa queda embebida en la brecha de la zirconia, es decir, los electrones fotogenerados se promueven desde el máximo de la banda de valencia, hacia el mínimo de la banda de conducción de los estados Ti 3d de la anatasa. Dado que la brecha de energía prohibida de la anatasa no se ve alterada cuando participa en la heterounión, los factores electrónicos no se consideran clave en el aumento de la actividad catalítica del sistema TiO2-ZrO2. La generación de vacancias de oxígeno en la región de la interfaz del material permite generar estados ocupados cercanos a la banda de conducción, reduciendo la brecha energética de forma significativa, sin embargo, el número de estados electrónicos es marginal y el efecto de las vacancias en las propiedades catalíticas de la heterounión no es significativo.