Abstract Density functional theory (DFT) is a well-established tool for calculating the properties of materials. The volume of DFT-related publications doubles every 5–6 years, which has resulted in the appearance of continuously growing open material databases, containing information on millions of compounds. Furthermore, the results of DFT computations are frequently coupled with experimental ones to strengthen the computational findings. In this thesis, several applications of DFT related to physics and chemistry are discussed. The conductivity between MoS₂ and transition metal nanoparticles is evaluated by calculating the electronic structure of two different models for the nanoparticles. Chemical bonding of Ni to the MoS₂ host is proven by the system’s band alignment. To meet the demand for cleaner fuel, the applicability of the (103) edge surface of molybdenum disulfide in relation to the early stages of the hydrodesulfurization (HDS) reaction is considered. The occurrence of the (103) edge surface of molybdenum disulfide in the XRD patterns is explained. A method for calculating oxidation states based on partial charges using open materials databases is suggested. We estimate the applicability of the method in the case of mixed valence compounds and surfaces, showing that DFT calculations can be used for the estimation of oxidation states. / Tiivistelmä Tiheysfunktionaaliteoria (density functional theory, DFT) on yleisesti käytetty työkalu laskennallisessa materiaalitutkimuksessa. DFT:llä tuotettujen julkaisujen määrä kaksinkertaistuu 5–6 vuoden välein, minkä johdosta käytettävissä on jatkuvasti kasvava määrä avoimia materiaalitietokantoja, joihin on talletettu miljoonien yhdisteiden ominaisuuksia. DFT-laskujen tuloksia täydennetään myös usein kokeellisilla tuloksilla. Tässä työssä tarkastellaan tiheysfunktionaaliteorian sovelluksia fysiikassa ja kemiassa. MoS₂:n ja metallisten nanopartikkelien välistä johtavuutta on tutkittu mallintamalla erilaisia nanopartikkeleita. Nikkelin ja MoS₂:n välinen kemiallinen sidos selittyy systeemin energiavöiden kohdistumisella. MoS₂:n (103)-pinnan soveltuvuutta rikinpoistoreaktion varhaisissa vaiheissa on tutkittu tarkoituksena löytää uusia menetelmiä puhtaan polttoaineen tuottamiseksi. Myös (103)-pinnan esiintyminen röntgendiffraktiokuvissa selitetään. Työssä on myös esitetty menetelmä hapetustilojen laskemiseksi tietokannoista löytyvien laskettujen varausjakaumien avulla. Menetelmän soveltuvuutta on tarkasteltu erilaisille yhdisteille ja pinnoille. Tämä tarkastelu osoittaa, että DFT-tuloksia voidaan käyttää hapetustilojen laskemiseen.

Abstract Titanium dioxide nanoparticles are used in an enormous amount of applications. Their properties are different from bulk TiO₂ and are affected by adsorbates that are unavoidably present on the surface. In this thesis, the effect of OH and SO₄ groups (the adsorbants present on the surface during manufacturing) on the properties of anatase-structured TiO₂ nanoparticles is studied. It was found that the above mentioned groups change both the geometric and electronic structure of nanoparticles, resulting in changes in the photoabsorption spectrum. Bader charges are calculated using electron density from Density Functional Theory calculations. They can be used for determination of the oxidation state of the atom. The relation between computed partial charges and oxidation states for binary oxides using data from open materials database has been demonstrated in this work using a linear regression. The applicability of the oxidation state determination by Bader charges for mixed valence compounds and surfaces is considered. / Tiivistelmä Titaanidioksidinanopartikkeleita käytetään lukuisissa sovelluksissa. Niiden ominaisuudet poikkeavat kiinteän TiO₂:n ominaisuuksista, ja niihin vaikuttavat pinnalle väistämättä absorboituvat aineet. Tässä työssä on tutkittu OH- ja SO₄-ryhmien vaikutusta anataasirakenteisten TiO₂-nanopartikkelien ominaisuuksiin. Tällaisia ryhmiä esiintyy yleisesti nanopartikkelien pinnalla valmistusprosessien aikana. Työssä havaittiin, että nämä ryhmät muuttavat nanopartikkelien rakenteellisia ja sähköisiä ominaisuuksia, ja siten vaikuttavat myös fotoabsorptiospektriin. Baderin varaukset voidaan laskea käyttäen tiheysfunktionaaliteoriaan perustuvista laskuista saatavaa elektronitiheyttä. Niitä voidaan käyttää atomin hapetustilan laskemiseen. Tässä työssä on osoitettu, että binääristen oksidien tapauksessa laskettujen osittaisvarauksien ja hapetustilan välillä on yhteys. Tämä yhteys voitiin osoittaa käyttämällä lineaarista regressiota. Työssä tarkastellaan myös menetelmän soveltuvuutta hapetustilojen määrittämiseen sekavalenssiyhdisteille ja pinnoille. / Original papers Original publications are not included in the electronic version of the dissertation. Miroshnichenko O., Auvinen S., & Alatalo M. (2015). A DFT study of the effect of OH groups on the optical, electronic, and structural properties of TiO₂ nanoparticles. Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 5321–5327. https://doi.org/10.1039/c4cp02789b Miroshnichenko O., Posysaev S., & Alatalo M. (2016). A DFT study of the effect of SO4 groups on the properties of TiO₂ nanoparticles. Phys. Chem. Chem. Phys., 18, 33068–33076. https://doi.org/10.1039/c6cp05681d http://jultika.oulu.fi/Record/nbnfi-fe201707037608 Posysaev S., Miroshnichenko O., Alatalo M., Le D., & Rahman T.S. (2019). Oxidation states of binary oxides from data analytics of the electronic structure. Comput. Mater. Sci., 161, 403–414. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.01.046