Электронная зонная структура, оптическое поглощение и фотокаталитическая активность допированного железом анатаза

Прекурсорным способом получены квазиодномерные твердые растворы состава Ti$_{1-x}$Fe$_x$O$_{2-x/2}$ (0.005 $\le x\le$ 0.05), имеющие структуру типа анатаза и характеризующиеся протяженным строением агрегатов. Изучены их спектры поглощения в УФ и видимой области, оценена фотокаталитическая активность в реакции окисления гидрохинона в воде. Установлено, что синтезированные твердые растворы функциональны как фотокатализаторы лишь при УФ-облучении, их фотоактивность повышается с ростом концентрации допанта. Псевдопотенциальным методом LSDA + U (программный комплекс VASP) проведены первопринципные расчеты электронной зонной структуры и оптического поглощения в допированных железом анатазе и рутиле. Параметры одноцентрового обмена-корреляции откалиброваны на расчетах электронной зонной структуры гематита $\alpha$-Fe$_2$O$_3$ и ильменита FeTiO$_3$. Показано, что, несмотря на появление примесных состояний внутри запрещенной зоны анатаза и рутила, допирование железом не приводит к появлению существенного поглощения в видимой области, что коррелирует с возрастанием фотокаталитической активности лишь при УФ-облучении. Наиболее вероятной причиной зафиксированного в эксперименте поглощения в видимой области является присутствие в полученных образцах мелкодисперсной примеси гематита.