Photocatalysis: Article in “Advanced Functional Materials”

“Mono-, Di-, and Tri-Valent Cation Doped BiFe_0.95Mn_0.05O₃ Nanoparticles: Ferroelectric Photocatalysts”

Astita Dubey, Chin Hon Keat, Vladimir V. Shvartsman, Kirill V. Yusenko, Marianela Escobar-Castillo, Ana Guilherme Buzanich, Ulrich Hagemann, Sergey A. Kovalenko, Julia Stähler, Doru C. Lupascu​

Ferroelectric multivalent co-doped Bismuth Ferrite (BiFeO₃; BFO) nanoparticles (NPs) are utilised for photocatalysis exploiting their narrow band gap. The photocatalytic activity of mono-, di-, tri-valent cations (Ag⁺, Ca⁺², Dy⁺³; MDT) doped BiFe_0.95Mn_0.05O₃ are studied under ultrasonication and at different pH values. Most of the NPs are found to be single domain ferroelectrics, where spontaneous polarization creates an internal depolarization field. We observed that divalent doping suppresses the polarization, whereas mono- and tri- valent cation doping provides an increase of polarization. The increased spontaneous polarization of mono- and tri-valent doped BiFe_0.95Mn_0.05O₃ NPs is one of the crucial factors in enhancing photocatalytic activity along with surface area, and light absorption ability. The correlation between the photocatalytic rate of codoped BFO NPs and their structural, optical, and electrical properties is probed. The depolarization field in these single domain NPs acts as a driving force to mitigate recombination of the photoinduced charge carriers. Piezoresponse becomes especially crucial factor under ultrasonication for these ferroelectric photocatalysts.

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Ferroelektrika und ihr elektrisches Verhalten

​Oxide sind der klassische Wegbegleiter der Arbeitsgruppe. Insbesondere Ferroelektrika und ihr elektrisches Verhalten sind Teile der fundamentalen Expertise am Institut. Dabei spielen Aspekte der Zuverlässigkeit und Ermüdungsmechanismen eine große Rolle sowie die Herstellung von Nanopartikeln bis hin zu Keramiken dieser Perovskite.

Ferroelekrika bilden die Grundlage für die uns in quasi allen elektronischen Geräten begegnenden keramischen Kondensatoren. Ebenso sind sie für Piezoelektrika unabdingbare Basiswerkstoffe, die Ultraschall, Smart Materials, Echolote, Non-Destructive Testing, nichtlinear Optik, Filter in Handys usw. ermöglichen. Im Institut werden vertieft Relaxorferroelektrika untersucht, die durch ihre komplexe innere Struktur (das Foto zeigt hierzu die schönen innneren Formen des keramischen Gefüges) maximale Werkstoffkoeffizienten ermöglichen. Ferner wird seit geraumer Zeit die zusätzliche Komplexität von Multiferroika genauer betrachtet. Im Rahmen der DFG-Forschungsgruppe 1509 wurden Komposite untersucht, die elektrische and magnetische Speichereigenschaften koppeln und so potentiell exzellente Computerspreicher mit sehr geringem Energieverbrauch ermöglichen können. Seit kurzem sind auch intrinsische Multiferroics, insbesondere deren Raumtemperaturvertreter Bismuth-Ferrit, von großem Interesse.

Als Besonderheit der Methodik ist die Rasterkraftmikroskopie zu nennen, die auf der Nanometerskale Funktionseigenschaften auf Materialoberflächen zu untersuchen gestattet.

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