Il team si è concentrato su uno specifico ossido metallico chiamato ematite (α-Fe2O3), che è abbondante, stabile e poco costoso, rendendolo un materiale interessante per la scissione fotoelettrochimica dell’acqua. Tuttavia, le prestazioni dell'ematite sono state limitate dalla sua breve lunghezza di diffusione dei portatori, il che significa che i portatori di carica fotogenerati si ricombinano rapidamente prima di raggiungere la superficie dell'elettrodo, riducendo l'efficienza.
Per affrontare questa sfida, i ricercatori hanno utilizzato un trattamento superficiale unico che prevede la deposizione di strati atomici (ALD) di un sottile strato di ossido di gallio (Ga2O3) sul fotoelettrodo di ematite. Questo trattamento ha cambiato radicalmente le proprietà superficiali e la dinamica del trasportatore dell'ematite, estendendo efficacemente la lunghezza di diffusione del trasportatore.
I risultati sono stati notevoli. Il fotoelettrodo di ematite trattato ha dimostrato un aumento di quasi sei volte della densità della fotocorrente, che rappresenta un aumento significativo della sua capacità di dividere l’acqua in modo efficiente. Questo miglioramento è stato attribuito al miglioramento della separazione e del trasporto dei portatori di carica, nonché al maggiore assorbimento della luce derivante dallo strato Ga2O3.
I ricercatori hanno analizzato ulteriormente i meccanismi alla base di queste prestazioni migliorate utilizzando tecniche di caratterizzazione avanzate e modelli teorici. Hanno acquisito conoscenze sulla struttura delle bande elettroniche, sulla dinamica dei portatori di carica e sulle proprietà interfacciali, che hanno fornito indicazioni preziose per ottimizzare le condizioni di trattamento e progettare fotoelettrodi ancora più efficienti.
Manipolando la chimica della superficie e sfruttando gli effetti sinergici tra ematite e Ga2O3, questo studio offre un percorso promettente per migliorare le prestazioni dei fotoelettrodi di ossido metallico per la scissione dell’acqua solare. I risultati contribuiscono agli sforzi in corso nello sviluppo di tecnologie dal solare al combustibile economicamente vantaggiose e scalabili, offrendo speranza per un futuro sostenibile e a zero emissioni di carbonio.
