L'era dei combustibili fossili è destinata a finire, per diversi forti motivi. In alternativa ai combustibili fossili, l'idrogeno sembra molto attraente. Il gas ha un'enorme densità di energia, può essere archiviato o ulteriormente elaborato, e. G. al metano, o fornire direttamente elettricità pulita tramite una cella a combustibile. Se viene prodotto utilizzando solo la luce solare, l'idrogeno è completamente rinnovabile a zero emissioni di carbonio.

foglie artificiali

Simile a un processo nella fotosintesi naturale, la luce del sole può essere utilizzata anche nelle "foglie artificiali" per dividere l'acqua in ossigeno e idrogeno. Le foglie artificiali combinano materiali semiconduttori fotoattivi e possono raggiungere efficienze superiori al 15%. Però, tali efficienze record sono state ottenute utilizzando sistemi costosi, che tendono anche a decomporsi in soluzioni acquose. Per una commercializzazione di successo, i costi devono diminuire e la stabilità deve aumentare.

Buoni candidati con uno svantaggio

I semiconduttori complessi di ossido di metallo sono buoni candidati per le foglie artificiali poiché sono relativamente economici e stabili in soluzioni acquose. Gli scienziati dell'HZB-Institute for Solar Fuels concentrano la loro ricerca su questi materiali. Fino ad ora, fotoelettrodi a base di ossidi metallici hanno mostrato efficienze moderate (solo <8 %). Uno dei motivi è la loro scarsa mobilità dei portatori di carica (elettroni e/o fori), che è fino a 100.000 volte inferiore rispetto ai semiconduttori classici come l'arseniuro di gallio o il silicio. "Ciò che è peggio è il fatto che i portatori di carica negli ossidi metallici hanno spesso tempi di vita davvero brevi di nanosecondi o addirittura picosecondi. Molti di loro scompaiono prima che possano contribuire alla scissione dell'acqua", Dott. Fatwa Abdi, sottolinea un esperto dell'HZB-Institute for Solar Fuels.

Trattamento termico con idrogeno

Un'opzione per superare questa limitazione è un trattamento termico in atmosfera di idrogeno degli strati di ossido di metallo dopo la deposizione. Fatwa Abdi e i suoi colleghi hanno ora studiato come questo trattamento influenzi la durata della vita, proprietà di trasporto e difetti in uno dei fotoelettrodi a ossido di metallo più promettenti, vanadato di bismuto (BiVO4).

La durata dei portatori di carica è raddoppiata

Le misurazioni della conduttività risolte nel tempo hanno rivelato che elettroni e lacune vivono più del doppio del tempo nella maggior parte del BiVO4 trattato con idrogeno rispetto al BiVO4 incontaminato. Di conseguenza, la fotocorrente complessiva sotto la luce del sole è ampiamente migliorata. Ulteriori misurazioni a Dresda e calcoli teorici dei colleghi della KAUST in Arabia Saudita hanno fornito la prova che la presenza di idrogeno nell'ossido di metallo riduce o disattiva i difetti puntiformi nella maggior parte del BiVO4. "I nostri risultati mostrano che il trattamento dell'idrogeno porta a meno trappole per i portatori di carica e meno opportunità di ricombinarsi o perdersi. Quindi più portatori di carica sopravvivono più a lungo e possono contribuire alla scissione dell'acqua", spiega Abdi.