Studi Ab-Initio Mekanisme Water Splitting pada Fotokatalis TiO2 dengan Ketidakmurnian Nitrogen

Oleh Fajar Fauzi Hakim

[13305053]

Pembimbing

Ir. Hermawan Kresno Dipojono, Ph.D. MSEE.Dr. Ir. Nugraha, M. Eng.

Latar BelakangKebutuhan akan hidrogen sebagai sumber energi terbarukan menuntut produksi hidrogen yang terjangkau dan ramah lingkungan. Penemuan produksi hidrogen melalui fotokatalisis

water splitting dengan bantuan semikonduktor TiO2 mendorong banyak penelitian eksperimental dan komputasional. Keterbatasan TiO2 yang hanya menyerap sinar ultraviolet menuntut dilakukannya penelitian untuk meningkatkan aktivitas fotokatalitik TiO2. Namun

landasan teoretik pendukung hal tersebut masih kurang.

Metode penghitungan ab initio merupakan salah satu metode penelitian teoritik yang valid. Simulasi komputasional dengan metode tersebut dilakukan terhadap material TiO2 fasa rutile yang diberi ketidakmurnian Nitrogen dengan variasi jenis ketidakmurnian untuk mempelajari

efeknya terhadap sifat elektronik yang berkaitan dengan sifat fotokatalis material.

TujuanMelakukan pemodelan dan melakukan

simulasi ab initio material photocatalyst TiO2 dengan variasi ketidakmurnian N

Mempelajari density of states (DOS) & struktur pita elektronik untuk menghitung

band gap serta mempelajari posisi state dari ketidakmurnian

Melakukan analisis mekanisme water splitting pada photocatalyst TiO2 dengan

variasi ketidakmurnian N

Ruang LingkupMetode simulasi: GGA-DFT (Generalized

Gradient Approximations - Density Functional Theory)

Software: Quantum ESPRESSO 4.2.0

TiO2 fasa rutile berstruktur kristal tetragonal

Melihat karakteristik elektronik (struktur pita elektronik & DOS)

Melihat perubahan band gap dan pita valensi dan konduksi terhadap TiO2 murni

Model Kristal TiO2 Rutiledalam simulasi

Rutil -> stabil, bandgap kecil1 unit cell=4 atom O; 2 atom Ti

Model simulasi:Supercell 2 x 2 x 2 (48 atom)

6 model struktur pada simulasi: Murni

O vacancy N Subtitusi O N interstitial

. N interstitial + O vacancyN interstitial + N Subtitusi O

Dasar Teori WatersplittingPada Semikonduktor

Oksidasi O2/H2O: 2H2O + 4h+ -> O2 + 4H+

Potensial > +1.23 V

Reduksi H+/H2 : 2H+ + 2e- -> H2Potensial < 0 V

2H2O + 4hv -> 2H2 + O2

Masalah: 1) Eg = 3 eV ~ ultra violet2) Rekombinasi elektron

Semikonduktor Ideal untuk Watersplitting

KesimpulanHasil analisis struktur pita elektronik dan DOS menunjukkan pelebaran band gap TiO2 fasa rutile

pada setiap jenis ketidakmurnian Nitrogen dengan rentang pelebaran 0,51 – 0,86 eV. Hal tersebut mengurangi respon fotokatalis terhadap cahaya matahari. Namun, beberapa jenis ketidakmurnian

memiliki tingkat energi tambahan yang meningkatkan responnya terhadap cahaya matahari. Ketidakmurnian interstitial, gabungan interstitial dengan vacancy O, dan gabungan interstitial

dengan subtitusi O diperkirakan dapat memberikan respon cahaya tampak dengan selisih energi antara tingkat energi donor elektron dengan akseptor terdekat masing-masing sebesar 0,595 eV, 0,102 eV dan 0,99 eV. Meskipun demikian, dari seluruh struktur yang disimulasikan tidak ada yang

dapat direkomendasikan sebagai fotokatalis water splitting.