L'ematite e altri ossidi di metalli di transizione sono utilizzati nella produzione rinnovabile di idrogeno. I ricercatori della TU Darmstadt hanno scoperto perché i materiali hanno raggiunto i loro limiti in questo modo. I loro risultati sono stati ora pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

La scissione dell'acqua a energia solare al confine tra un semiconduttore e l'acqua (foglia artificiale) è un metodo elegante per la produzione rinnovabile di idrogeno come materiale immagazzinabile, carburante facile da trasportare. La luce viene assorbita nel semiconduttore e convertita in tensione elettrica (foto) che deve essere abbastanza grande da dividere le molecole d'acqua in H ₂ e O ₂ . Può essere teoricamente stimato dalla dimensione del gap di banda del semiconduttore - il divario tra il livello di energia più alto occupato e quello più basso non occupato.

La ricerca negli ultimi decenni si è concentrata sugli ossidi dei metalli di transizione come materiali assorbenti, che inizialmente sembrano essere ideali per la scissione dell'acqua, poiché molti dei rappresentanti di questa classe materiale possiedono band gap della dimensione corretta. Un secondo sguardo rivela, però, che in realtà le fototensioni che possono essere generate utilizzando ossidi di metalli di transizione sono spesso troppo piccole per creare idrogeno. Questo fatto non è compreso, ed è stato il punto di partenza per uno studio di Christian Lohaus, Professor Andreas Klein, Professor Wolfram Jaegermann (Dipartimento di Scienze delle Superfici, Facoltà di materiali e geoscienze presso la TU Darmstadt), i cui risultati sono stati ora pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Indagini fondamentali

Fondamentali indagini sono state effettuate sul tanto esaminato materiale ematite (Fe ₂ oh ₃ ) per indagare i suoi limiti intrinseci di fototensione che sono determinati dai massimi spostamenti energetici del cosiddetto livello di Fermi all'interno di un materiale. Come grandezza statistica, il livello di Fermi definisce il numero di elettroni e lacune di elettroni in un semiconduttore. La sua posizione può essere manipolata aggiungendo o rimuovendo elettroni. Più può essere spostato verso l'alto e verso il basso, maggiore è la fototensione che può essere generata nel semiconduttore.

All'interno dell'ematite, il livello di Fermi non può essere spostato verso l'alto oltre un certo valore ben al di sotto del bandgap ottico. Anziché, un'inversione di carica da Fe ³⁺ a Fe ²⁺ è stato osservato. Questa inversione fa parte dello sviluppo dei cosiddetti polaroni, che sono già noti come limite per gli ossidi dei metalli di transizione nella conduttività elettrica. Il lavoro del team di Darmstadt aumenta la comprensione degli effetti dei polaroni poiché limitano anche sostanzialmente la creazione del fotovoltaggio. Questo è il motivo per cui il band gap ottico che promette una fototensione più elevata non è il criterio che definisce l'utilizzabilità di un materiale nella scissione dell'acqua guidata dalla luce. Anziché, determinante è l'intervallo consentito entro il quale il livello di Fermi può essere spostato. Questo fatto limita chiaramente l'applicabilità degli ossidi metallici nella scissione dell'acqua alimentata dalla luce in modo abbastanza significativo.