Cu-dopēto titāna dioksīda DFT modelēšana antibakteriālo īpašību izpētei

Abstract

Titāna dioksīda (TiO2) visu trīs polimorfu (anatass, rutils, brokīts) nanodaļiņām piemīt antibakteriālās īpašības, tomēr vislabāk tās ir izteiktas anatasam. TiO2 antibakteriālās īpašības var skaidrot ar tā dabu - tas ir pusvadītājs - fotokatalizators. Lai uzlabotu fotokatalītiskās īpašības, TiO2 iespējams dopēt. Šajā darbā tiek aplūkotas divu TiO2 polimorfu - anatasa un rutila - dopēšana ar vara (Cu) atomiem, kas, balstoties uz eksperimentāliem datiem, var sekmēt antibakteriālo īpašību uzlabošanos. Tika uzbūvēti anatasa un rutila tilpuma un virsmas modeļi bez un ar Cu atomu, no pirmajiem principiem tiek aprēķināta tīra un ar Cu dopēto TiO2 divu polimorfu (anatasa, rutila) tilpuma fāze, tiek aprēķinātas un novērtētas īpašības TiO2 anatasa (001), anatasa (101), rutila (110) bezdefekta virsmām. Anatasa (001) Cu dopētai TiO2 virsmai tika novērtēta Cu iekļaušanas enerģija, kā arī tiek aprēķināta -OH grupu adsorbcija uz TiO2 virsmas. Papildus tam, balsoties uz piedāvātiem modeļiem, anatasa (101) virsmai tika aprēķināta ierosināto stāvokļu ietekme uz zonu struktūru. Iegūtie dati nākamajā pētījuma posmā tiks izmantoti termodinamiskai analīzei, kas ļaus noteikt virsmas reaktivitātes antibakteriālo īpašību palielināšanu hemosorbcijas pastiprināšanās gadījumā.

All three titanium dioxide (TiO2) nanoparticles polymorphs (anatase, rutile, brookite) have antibacterial properties, however, they are most pronounced for anatase. The antibacterial properties of TiO2 can be explained by its nature - it is a semiconductor and a photocatalyst. To improve photocatalytic properties, TiO2 can be doped. The work looks at two TiO2 polymorphs - anatase and rutile - basing on the experimental data anatase and rutile antibacterial properties should improve if they are doped by copper (Cu). The anatase and rutile slab and bulk models with and without Cu atom were made, and several calculations from the first principles are being made: the bulk phase of two polymorphs (anatase, rutile) doped with Cu, the surface activity of the TiO2 anatase (001), anatase (101) and rutile (110) defectless surfaces. For the Cu dopped anatase (001) surface the energy of inclusion of Cu is evaluated, as well as the adsorption of -OH groups on a clean TiO2 surface is calculated. Moreover, based on the proposed models the impact on band structure of the excited states was calculated for the anatase (101) surface. Gained results will be used for the thermodynamic analysis which will allow to determine the increase of surface reactivity and the antibacterial properties in case of increased chemisorption.