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Structure and energetics of stoichiometric TiO2 anatase surfaces (Articolo in rivista)

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Structure and energetics of stoichiometric TiO2 anatase surfaces (Articolo in rivista) (literal)

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Lazzeri M. Selloni A., Vittadini A. (2001)
Structure and energetics of stoichiometric TiO2 anatase surfaces
in Physical review. B, Condensed matter
(literal)

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Questo lavoro è frutto di una collaborazione internazionale tra l'ISTM e il Dipartimento di Chimica della Princeton University (NJ, USA). Sebbene pubblicato in una rivista di fisica della materia condensata (di peraltro elevato impact factor, IF=3.327), l'articolo è di rilevanza interdisciplinare, ed ha in particolare importanti ricadute nel campo delle scienze chimiche. Infatti, l'anatasio è un materiale dalle molteplici applicazioni in campo catalitico. In quest'ambito, la disponibilità di dati accurati sulle proprietà energetiche e strutturali delle sue superfici può senz'altro definirsi preziosa: si pensi, per esempio, alla problematica dell'ancoraggio delle molecole dei sensibilizzatori sugli elettrodi a base di anatasio nanocristallino delle celle di Graetzel. L'interesse suscitato da questo lavoro nella comunità scientifica internazionale è testimoniata dall'elevato numero di citazioni (ben 19, al 10 giugno 2004) già ottenuto in riviste ISI in campo chimico e fisico (literal)

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Rivista

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Il prodotto consiste in un articolo in una rivista internazionale. In esso viene riportato il primo studio sistematico condotto con approcci \"ab initio\" sulla struttura e sull'energetica delle superfici dell'anatasio (una delle modificazioni cristalline del biossido di titanio). L'importanza del lavoro è data dal fatto che, al contrario di quanto avviene per il rutilo, che è la modificazione più comune del TiO2, le informazioni sulle proprietà chimico-fisiche delle superfici dell'anatasio sono alquanto scarse e difficili da ottenere (il materiale è stabile solo in fase nanocristallina). L'accuratezza dei risultati è stata verificata conducendo analoghi calcoli sul più studiato rutilo, il che ha peraltro permesso di comprendere alcune differenze nel comportamento dei due materiali. Inoltre, le proprietà delle fasi massive di entrambe le modificazioni sono in ottimo accordo con i dati sperimentali. I principali risultati ottenuti comprendono le energie di superficie ed i rilassamenti strutturali di tutte le superfici a basso indice dei due materiali. Da tali dati, si è inoltre ottenuta, grazie alla costruzione di Wulff, la morfologia di un cristallo ideale di anatasio (che è in ottimo accordo con l'esperimento). (literal)

Note

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Chemistry Department, Princeton University, Princeton USA ISTM-CNR, sez. di Padova. (literal)

Titolo

Abstract

We present an ab initio density-functional investigation of the structure and energetics of several stoichiometric 1 X 1 low-index surfaces of anatase, a TiO2 polymorph 9% less dense and 1.2 kcal/mol less stable than rutile. Although our calculations do not reproduce the relative ordering of the two phases that is observed experimentally, the calculated bulk structural and elastic properties of both polymorphs are in excellent agreement with the experiment, suggesting that surface relaxations are correctly described as well. As expected, the surface energies of anatase appear to be related to the presence of undercoordinated Ti atoms: the surfaces with fourfold-coordinated Ti atoms have a larger energy than those with fivefold-coordinated Ti. Furthermore, we find that the average surface energy of a TiO2 anatase macroscopic crystal is smaller than that of rutile. Finally, patterns in the relaxation of the surface atoms which are common to different surfaces are analyzed. (literal)

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