Published January 8, 2021
| Version v1
Publication
Open
Tuning the optoelectronic properties of hematite with rhodium doping for photoelectrochemical water splitting using density functional theory approach
Creators
- 1. University of Peshawar
- 2. Islamia College University
- 3. Abdul Wali Khan University Mardan
- 4. Air University
- 5. Keimyung University
Description
Abstract Hematite (Fe 2 O 3 ) is one of the best candidates for photoelectrochemical water splitting due to its abundance and suitable bandgap. However, its efficiency is mostly impeded due to the intrinsically low conductivity and poor light absorption. In this study, we targeted this intrinsic behavior to investigate the thermodynamic stability, photoconductivity and optical properties of rhodium doped hematite using density functional theory. The calculated formation energy of pristine and rhodium doped hematite was − 4.47 eV and − 5.34 eV respectively, suggesting that the doped material is thermodynamically more stable. The DFT results established that the bandgap of doped hematite narrowed down to the lower edge (1.61 eV) in the visible region which enhanced the optical absorption and photoconductivity of the material. Moreover, doped hematite has the ability to absorb a broad spectrum (250–800) nm. The enhanced optical absorption boosted the photocurrent and incident photon to current efficiency. The calculated results also showed that the incorporation of rhodium in hematite induced a redshift in optical properties.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الملخص الهيماتيت (الحديد 2 O 3 ) هو واحد من أفضل المرشحين لتقسيم المياه الكهروكيميائية الضوئية بسبب وفرتها وفجوة النطاق المناسبة. ومع ذلك، فإن كفاءته تتعطل في الغالب بسبب الموصلية المنخفضة جوهريًا وضعف امتصاص الضوء. في هذه الدراسة، استهدفنا هذا السلوك الجوهري للتحقيق في الاستقرار الديناميكي الحراري والموصلية الضوئية والخصائص البصرية للهيماتيت المخدر بالروديوم باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية. كانت طاقة التكوين المحسوبة للهيماتيت البكر والروديوم المخدر - 4.47 إلكترون فولت و - 5.34 إلكترون فولت على التوالي، مما يشير إلى أن المادة المخدرة أكثر استقرارًا من الناحية الديناميكية الحرارية. أثبتت نتائج DFT أن فجوة نطاق الهيماتيت المنشط ضاقت إلى الحافة السفلية (1.61 إلكترون فولت) في المنطقة المرئية مما عزز الامتصاص البصري والموصلية الضوئية للمادة. علاوة على ذلك، فإن الهيماتيت المخدر لديه القدرة على امتصاص طيف واسع (250–800) نانومتر. عزز الامتصاص البصري المحسّن من اللدائن الضوئية والفوتون الساقط إلى كفاءة التيار. أظهرت النتائج المحسوبة أيضًا أن دمج الروديوم في الهيماتيت أدى إلى تحول أحمر في الخصائص البصرية.Translated Description (French)
Résumé L'hématite (Fe 2 O 3 ) est l'un des meilleurs candidats pour la séparation photoélectrochimique de l'eau en raison de son abondance et de sa bande interdite appropriée. Cependant, son efficacité est principalement entravée en raison de la faible conductivité intrinsèque et de la mauvaise absorption de la lumière. Dans cette étude, nous avons ciblé ce comportement intrinsèque pour étudier la stabilité thermodynamique, la photoconductivité et les propriétés optiques de l'hématite dopée au rhodium en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité. L'énergie de formation calculée de l'hématite vierge et dopée au rhodium était respectivement de − 4,47 eV et − 5,34 eV, ce qui suggère que le matériau dopé est thermodynamiquement plus stable. Les résultats de la DFT ont établi que la bande interdite de l'hématite dopée se rétrécissait jusqu'au bord inférieur (1,61 eV) dans la région visible, ce qui améliorait l'absorption optique et la photoconductivité du matériau. De plus, l'hématite dopée a la capacité d'absorber un large spectre (250–800) nm. L'absorption optique améliorée a stimulé le photocourant et le photon incident à l'efficacité du courant. Les résultats calculés ont également montré que l'incorporation de rhodium dans l'hématite induisait un décalage vers le rouge des propriétés optiques.Translated Description (Spanish)
La hematita abstracta (Fe 2 O 3 ) es una de las mejores candidatas para la división fotoelectroquímica del agua debido a su abundancia y banda prohibida adecuada. Sin embargo, su eficiencia se ve principalmente obstaculizada debido a la conductividad intrínsecamente baja y la mala absorción de la luz. En este estudio, nos enfocamos en este comportamiento intrínseco para investigar la estabilidad termodinámica, la fotoconductividad y las propiedades ópticas de la hematita dopada con rodio utilizando la teoría funcional de la densidad. La energía de formación calculada de hematita prístina y dopada con rodio fue de -4,47 eV y -5,34 eV, respectivamente, lo que sugiere que el material dopado es termodinámicamente más estable. Los resultados de la DFT establecieron que la brecha de banda de la hematita dopada se estrechó hasta el borde inferior (1,61 eV) en la región visible, lo que mejoró la absorción óptica y la fotoconductividad del material. Además, la hematita dopada tiene la capacidad de absorber un amplio espectro (250–800) nm. La absorción óptica mejorada aumentó la eficiencia de la fotocorriente y el fotón incidente a la corriente. Los resultados calculados también mostraron que la incorporación de rodio en la hematita indujo un corrimiento al rojo en las propiedades ópticas.Files
s41598-020-78824-y.pdf.pdf
Files
(2.6 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:f9666b54df750dcbbe5266431918043e
|
2.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- ضبط الخصائص الإلكترونية البصرية للهيماتيت مع منشطات الروديوم لتقسيم المياه الكهروكيميائية الضوئية باستخدام نهج نظرية الكثافة الوظيفية
- Translated title (French)
- Réglage des propriétés optoélectroniques de l'hématite avec dopage au rhodium pour la séparation photoélectrochimique de l'eau en utilisant l'approche de la théorie fonctionnelle de la densité
- Translated title (Spanish)
- Ajuste de las propiedades optoelectrónicas de la hematita con dopaje de rodio para la división fotoelectroquímica del agua utilizando el enfoque de la teoría funcional de la densidad
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3120543009
- DOI
- 10.1038/s41598-020-78824-y
References
- https://openalex.org/W1506981083
- https://openalex.org/W1674790000
- https://openalex.org/W1968453319
- https://openalex.org/W1972697442
- https://openalex.org/W1976555219
- https://openalex.org/W1983087148
- https://openalex.org/W1985776665
- https://openalex.org/W1986524675
- https://openalex.org/W1992940156
- https://openalex.org/W2000633524
- https://openalex.org/W2007672205
- https://openalex.org/W2010077831
- https://openalex.org/W2014994966
- https://openalex.org/W2016262923
- https://openalex.org/W2018820287
- https://openalex.org/W2020779773
- https://openalex.org/W2021525058
- https://openalex.org/W2023203906
- https://openalex.org/W2036716094
- https://openalex.org/W2041726067
- https://openalex.org/W2042716507
- https://openalex.org/W2046102430
- https://openalex.org/W2048146943
- https://openalex.org/W2050780685
- https://openalex.org/W2050785814
- https://openalex.org/W2056143191
- https://openalex.org/W2062973998
- https://openalex.org/W2063547195
- https://openalex.org/W2070095389
- https://openalex.org/W2073703855
- https://openalex.org/W2074488335
- https://openalex.org/W2083375473
- https://openalex.org/W2091551657
- https://openalex.org/W2102847609
- https://openalex.org/W2119043667
- https://openalex.org/W2121237359
- https://openalex.org/W2151269714
- https://openalex.org/W2199390380
- https://openalex.org/W2314673279
- https://openalex.org/W2334319850
- https://openalex.org/W2580677487
- https://openalex.org/W2766461861
- https://openalex.org/W2784155034
- https://openalex.org/W2791305434
- https://openalex.org/W2910945928
- https://openalex.org/W2911269975
- https://openalex.org/W2945284963
- https://openalex.org/W2953301787
- https://openalex.org/W2969019893
- https://openalex.org/W2978755567
- https://openalex.org/W3003553313