Insights into the adsorption of organic molecules on rutile TiO₂ (1 1 0) surface: A theoretical study

Abstract

We investigated the adsorption of formic, acetic, benzoic acids, phenol, nitrobenzene molecules on rutile-TiO 2 (1 1 0) surface using the density functional theory (DFT) calculations. Details of the interaction between the investigated molecules and rutile-TiO 2 (1 1 0) surface were thoroughly considered by using the charge transfer and atoms in molecules analyses. The most stable configurations have been found upon adsorption of these molecules on TiO 2 surface by employing the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) functional and projector-augmented wave method approach and utilizing the periodic slab model. The adsorption processes are determined to be strong chemisorptions, characterized by high adsorption energies in the range of -18.5 to -28.8 kcal.mol -1 . Stability of the adsorption configurations is significantly contributed by attractive Ti•••O electrostatic interaction and O-H•••O strong hydrogen bond. The interactions between the adsorbed molecules on the rutile-TiO 2 (1 1 0) surface are stronger for the >COOH groups than for-OH or -NO 2 groups. The results show that the TiO 2 -rutile is regarded as a potential adsorption material and an efficient photocatalyst for removal of these organic compounds.

Introduction of the Effective Photon Concentration Variable for Studying the Mechanism of Crystal Violet Photodegradation

“…Tri et al . (70) showed that the electrostatic attraction in the form of [Ti…OH 2 ] and strong hydrogen bond in the form of [HO…H 2 O] cause stable adsorption configurations. They also determined the adsorption processes of the mentioned molecules are chemisorption.…”

“…Besides, the organic molecules can also interact with the TiO 2 surface. Tri et al (70) showed that the electrostatic attraction in the form of [Ti. .…”

Understanding the prototype catalyst TiO2 surface with the help of density functional theory calculation

“…The substituent effect in these complexes has less impact on their adsorption models. Similarly, the adsorption of formic acid, acetic acid, benzoic acid, phenol, nitrobenzene molecules on the rutile TiO 2 (110) surface was investigated by Tri et al 265 The calculated adsorption energies are in the range of À18.5 to À28.8 kcal/mol, and the interactions mostly arise from the TiÁÁÁO dative bond and O HÁÁÁO strong hydrogen bond. The interactions between the adsorbed molecules on the rutile TiO 2 (110) surface are stronger for the COOH groups than for the OH or NO 2 groups.…”

Study on interaction mechanism of sulfisoxazole on rutile-TiO₂ (110) surface using quantum chemical method

“…Kết quả này phù hợp với các khảo sát trước đây về sự hấp phụ các phân tử kháng sinh trên bề mặt TiO2 [11]. Ngoài ra, các kết quả thu được trong nghiên cứu này có sự tương quan tốt với các nghiên cứu trước đây khi khảo sát sự tương tác giữa các phân tử với bề mặt r-TiO2 [11,20,21]. Cụ thể, các kết quả tính toán cho thấy các giá trị ρ(r) tại các BCP Ti5f‧‧‧O, H‧‧‧Ob trong phức bền nhất SFX-4 nhỏ hơn trong các phức bền nhất giữa AP, AX, TC với r-TiO2 [11].…”

“…Kết quả cho thấy ở các phức hình thành các phân tử SFX có xu hướng sắp xếp theo chiều ngang, trải rộng lên trên bề mặt r-TiO2 tại các vị trí Ti5f và Ob trong sự hình thành các tương tác bề mặt giữa Ti5f‧‧‧O/N và H‧‧‧Ob. Các khoảng cách tương tác ngoại phân tử này tương ứng trong khoảng 2,24-2,47 Å và 1,76-2,71 Å. Các giá trị này đều nhỏ hơn tổng bán kính van der Waals của hai nguyên tử tham gia tương tác (rvdW(O-H) = 2,72 Å; rvdW(Ti-O) = 3,39 Å; rvdW(Ti-N) = 3,42 Å), và phù hợp với các công bố trước đây về sự hình thành các tương tác giữa Ti5f‧‧‧O và H‧‧‧Ob trong các phức giữa các phân tử hữu cơ, kháng sinh với bề mặt TiO2[11,12,20,21]. Các cấu trúc bền của sự hấp phụ SFX trên bề mặt r-TiO2 (đơn vị khoảng cách Å) Bên cạnh đó, nhiều tương tác kiểu Ti5f‧‧‧O/N và N/C-H‧‧‧Ob xuất hiện ở các cấu trúc SFX-1 và SFX-4, nhiều hơn so với ở các phức SFX-2, SFX-3.…”