INVESTIGASI PENGARUH UNSUR NONLOGAM SEBAGAI DOPAN PADA SIFAT FOTOKATALITIK ZrTiO4 DENGAN METODE DENSITY FUNCTIONAL THEORY

HERALDA FAWRIN, Dr. Aulia Sukma Hutama, M.Si. ; Prof. Dra. Wega Trisunaryanti, M.S., Ph.D.,Eng.

2021 | Tesis | MAGISTER KIMIA

Telah dilakukan investigasi pengaruh unsur nonlogam sebagai dopan pada sifat fotokatalitik ZrTiO4. Aktivasi katalis ZrTiO4 murni hanya dapat dilakukan dengan penyinaran UV karena energi celah pita (Eg) masih cukup lebar yaitu 3,65 eV. Doping ZrTiO4 oleh atom nonlogam dapat mengurangi Eg sehingga material dapat menyerap foton dengan panjang gelombang yang lebih panjang (cahaya tampak). Pengaruh dopan nonlogam terhadap sifat fotokatalitik ZrTiO4 dapat dideteksi menggunakan metode Density Functional Theory (DFT) dengan menggunakan koreksi Hubbard yang disingkat sebagai DFT+U. Penerapan U^(Ti_3d ) = 5,0 eV dan U^(O_2p ) = 2,5 eV ke ZrTiO4 menghasilkan sel satuan ortorombik dengan parameter kisi a = 4,804 A, b = 5,509 A, dan c = 5,041 A. Nilai energi celah pita yang dihitung untuk ZrTiO4 murni dengan PBEsol+U adalah 3,60 eV. Substitusi dopan lebih mungkin terbentuk di situs O daripada di situs Zr atau Ti dalam model ZrTiO4. Substitusi F dengan atom O dan substitusi Si dengan atom Ti atau Zr secara termodinamika lebih stabil dibandingkan yang lainnya. Panjang ikatan Ti-X dan Zr-X lebih panjang daripada panjang ikatan Ti-O saat atom dopan menggantikan salah satu atom O. Atom nonlogam dapat menurunkan E_g pada ZrTiO4 menjadi 3,48 eV hingga 1,35 eV. Penggantian atom S di situs O, Se di situs Ti, atau S/Se di situs Zr pada ZrTiO4 menghasilkan fotokatalis yang berpotensi untuk pemisahan air, reduksi CO2, dan fiksasi N2 di wilayah cahaya tampak.

An investigation has been carried out on the effect of nonmetal atoms as dopant on the photocatalytic properties of ZrTiO4. The pristine ZrTiO4 catalyst activation can only be carried out by UV irradiation because the band gap energy (Eg) is still quite wide that is 3.65 eV. ZrTiO4 doping by non-metal atoms, in general, can reduce the band gap energy so that material can absorb photons with longer wavelengths (visible light). The effect of nonmetal dopant on the photocatalytic properties of ZrTiO4 can be detected using the Density Functional Theory (DFT) method using Hubbard's correction which is abbreviated as DFT+U. Applying U^(Ti_3d ) = 5.0 eV and U^(O_2p ) = 2.5 eV to bulk ZrTiO4 yields an orthorhombic unit cell with the lattice parameter a = 4.804 A, b = 5.509 A, and c = 5.041 A. The calculated bandgap for pristine ZrTiO4 with PBEsol+U is 3.60 eV. Substitution of dopant is more likely to form at the O site than at the Zr or Ti site in the X-doped ZrTiO4 model. F substitution at O atom and Si substitution at Ti or Zr atom are thermodynamically favorable. Ti-X and Zr-X bond lengths are longer than Ti-O bond lengths when the dopant atom replaces one of the O atoms. Nonmetal atoms can reduce bandgap in ZrTiO4 to 1.35-3.48 eV. Replacing S at the O site, S at the Ti site, or S/Se at the Zr site in ZrTiO4 produce potential photocatalysts for splitting water, CO2 reduction, and N2 fixation in the visible light region.

Kata Kunci : fotokatalis ZrTiO4, dopan atom nonlogam, metode DFT, energi celah pita