Quantenchemische Untersuchung der elektronischen Eigenschaften von Ferriten
Quantenchemische Untersuchung der elektronischen Eigenschaften von Ferriten
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DissertationDate of Exam
18.05.2021Date of Publication
21.06.2021Advisor
Bredow, ThomasCo-Referee
Kirchner, BarbaraMetadata
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Abstract
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der theoretischen Untersuchung der optischen und elektronischen Eigenschaften von Spinell-Ferriten MFe2O4 mit M = Mg, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn und der Bewertung hinsichtlich ihrer Eignung als Katalysator für photoelektrochemische Wasserspaltung. Zusätzlich wird der Einfluss von Sauerstofffehlstellen sowie die Möglichkeit einer Dotierung und die damit verbundenen Veränderungen der elektronischen und optischen Eigenschaften betrachtet.
Da gängige in silico-Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie (DFT) offenschalige Systeme nur unzureichend beschreiben ist es notwendig, dafür elaboriertere Methoden anzuwenden. Dielectric-dependent Self Consistent Hybrid-DFT-Rechnungen zeigen, dass eine Veränderung der Kationenverteilung sowie der magnetischen Kopplung die elektronischen Eigenschaften wie z. B. die elektronische Bandlücke der Spinell-Ferrite beeinflusst. Dabei unterscheiden sich die Konfigurationen oft nur wenig in ihrer Stabilität. Experimentelle Referenzdaten zeigen eine große Streuung für die optische Bandlücke der Spinell-Ferrite, was durch die vorliegenden Ergebnisse erklärt werden kann.
GW/BSE-Ergebnisse zeigen einen ausgeprägten Einfluss der magnetischen Kopplung auf das optische Spektrum von ZnFe2O4 und damit auf die photokatalytische Effizienz der Substanz.
Optische Spektren der anderen Spinell-Ferrite mit M = Mg, Sc - Cu stellen MnFe2O4 aufgrund einer vergleichsweise hohen Intensität und ScFe2O4 aufgrund der Position der ersten Anregung als interessanten Kandidaten für photoelektrochemische Anwendungen heraus.
Eine Simulation von ZnFe2O4 mit Sauerstoffdefekten zeigt, dass diese zu energetisch niedrig gelegenen optischen Anregungen führen. Zudem werden die Grenzorbitale derart verändert, dass sie als Rekombinationszentrum wirken können. Aufgrund dieser Ergebnisse kann von einer negativen Beeinflussung der photokatalytischen Effizienz durch Sauerstoffdefekte ausgegangen werden.
Die Untersuchung von quaternären Spinell-Ferriten des Typs M1M2e2O4 zeigt keine Vorteile der Dotierung von 50 % der zweiwertigen Kationen, da sich jeweils nur eines der beiden zweiwertigen Kationen am ersten optischen Übergang beteiligt.
Da gängige in silico-Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie (DFT) offenschalige Systeme nur unzureichend beschreiben ist es notwendig, dafür elaboriertere Methoden anzuwenden. Dielectric-dependent Self Consistent Hybrid-DFT-Rechnungen zeigen, dass eine Veränderung der Kationenverteilung sowie der magnetischen Kopplung die elektronischen Eigenschaften wie z. B. die elektronische Bandlücke der Spinell-Ferrite beeinflusst. Dabei unterscheiden sich die Konfigurationen oft nur wenig in ihrer Stabilität. Experimentelle Referenzdaten zeigen eine große Streuung für die optische Bandlücke der Spinell-Ferrite, was durch die vorliegenden Ergebnisse erklärt werden kann.
GW/BSE-Ergebnisse zeigen einen ausgeprägten Einfluss der magnetischen Kopplung auf das optische Spektrum von ZnFe2O4 und damit auf die photokatalytische Effizienz der Substanz.
Optische Spektren der anderen Spinell-Ferrite mit M = Mg, Sc - Cu stellen MnFe2O4 aufgrund einer vergleichsweise hohen Intensität und ScFe2O4 aufgrund der Position der ersten Anregung als interessanten Kandidaten für photoelektrochemische Anwendungen heraus.
Eine Simulation von ZnFe2O4 mit Sauerstoffdefekten zeigt, dass diese zu energetisch niedrig gelegenen optischen Anregungen führen. Zudem werden die Grenzorbitale derart verändert, dass sie als Rekombinationszentrum wirken können. Aufgrund dieser Ergebnisse kann von einer negativen Beeinflussung der photokatalytischen Effizienz durch Sauerstoffdefekte ausgegangen werden.
Die Untersuchung von quaternären Spinell-Ferriten des Typs M1M2e2O4 zeigt keine Vorteile der Dotierung von 50 % der zweiwertigen Kationen, da sich jeweils nur eines der beiden zweiwertigen Kationen am ersten optischen Übergang beteiligt.
Subjects
Photoelektrochemische Wasserspaltung, Spinell-Ferrite, DFT, GW, BSE, Quantenchemie, Erneuerbare Energien, Solarenergie, Wasserstofferzeugung
Classification (DDC)
540 ChemieUlpe, Anna Christina: Quantenchemische Untersuchung der elektronischen Eigenschaften von Ferriten. - Bonn, 2021. - Dissertation, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn.
Online-Ausgabe in bonndoc: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5-62552
Online-Ausgabe in bonndoc: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5-62552
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Da gängige in silico-Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie (DFT) offenschalige Systeme nur unzureichend beschreiben ist es notwendig, dafür elaboriertere Methoden anzuwenden. Dielectric-dependent Self Consistent Hybrid-DFT-Rechnungen zeigen, dass eine Veränderung der Kationenverteilung sowie der magnetischen Kopplung die elektronischen Eigenschaften wie z. B. die elektronische Bandlücke der Spinell-Ferrite beeinflusst. Dabei unterscheiden sich die Konfigurationen oft nur wenig in ihrer Stabilität. Experimentelle Referenzdaten zeigen eine große Streuung für die optische Bandlücke der Spinell-Ferrite, was durch die vorliegenden Ergebnisse erklärt werden kann.
GW/BSE-Ergebnisse zeigen einen ausgeprägten Einfluss der magnetischen Kopplung auf das optische Spektrum von ZnFe2O4 und damit auf die photokatalytische Effizienz der Substanz.
Optische Spektren der anderen Spinell-Ferrite mit M = Mg, Sc - Cu stellen MnFe2O4 aufgrund einer vergleichsweise hohen Intensität und ScFe2O4 aufgrund der Position der ersten Anregung als interessanten Kandidaten für photoelektrochemische Anwendungen heraus.
Eine Simulation von ZnFe2O4 mit Sauerstoffdefekten zeigt, dass diese zu energetisch niedrig gelegenen optischen Anregungen führen. Zudem werden die Grenzorbitale derart verändert, dass sie als Rekombinationszentrum wirken können. Aufgrund dieser Ergebnisse kann von einer negativen Beeinflussung der photokatalytischen Effizienz durch Sauerstoffdefekte ausgegangen werden.
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Da gängige in silico-Methoden wie die Dichtefunktionaltheorie (DFT) offenschalige Systeme nur unzureichend beschreiben ist es notwendig, dafür elaboriertere Methoden anzuwenden. Dielectric-dependent Self Consistent Hybrid-DFT-Rechnungen zeigen, dass eine Veränderung der Kationenverteilung sowie der magnetischen Kopplung die elektronischen Eigenschaften wie z. B. die elektronische Bandlücke der Spinell-Ferrite beeinflusst. Dabei unterscheiden sich die Konfigurationen oft nur wenig in ihrer Stabilität. Experimentelle Referenzdaten zeigen eine große Streuung für die optische Bandlücke der Spinell-Ferrite, was durch die vorliegenden Ergebnisse erklärt werden kann.
GW/BSE-Ergebnisse zeigen einen ausgeprägten Einfluss der magnetischen Kopplung auf das optische Spektrum von ZnFe2O4 und damit auf die photokatalytische Effizienz der Substanz.
Optische Spektren der anderen Spinell-Ferrite mit M = Mg, Sc - Cu stellen MnFe2O4 aufgrund einer vergleichsweise hohen Intensität und ScFe2O4 aufgrund der Position der ersten Anregung als interessanten Kandidaten für photoelektrochemische Anwendungen heraus.
Eine Simulation von ZnFe2O4 mit Sauerstoffdefekten zeigt, dass diese zu energetisch niedrig gelegenen optischen Anregungen führen. Zudem werden die Grenzorbitale derart verändert, dass sie als Rekombinationszentrum wirken können. Aufgrund dieser Ergebnisse kann von einer negativen Beeinflussung der photokatalytischen Effizienz durch Sauerstoffdefekte ausgegangen werden.
Die Untersuchung von quaternären Spinell-Ferriten des Typs M1M2e2O4 zeigt keine Vorteile der Dotierung von 50 % der zweiwertigen Kationen, da sich jeweils nur eines der beiden zweiwertigen Kationen am ersten optischen Übergang beteiligt.},
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