Grænserne for hæmatit

Hæmatit og andre overgangsmetaloxider bruges i den vedvarende produktion af brint. Forskere ved TU Darmstadt har opdaget, hvorfor materialerne nåede deres grænser. Deres resultater er nu offentliggjort i Naturkommunikation .

Den soldrevne spaltning af vand på grænsen mellem en halvleder og vand (kunstigt blad) er en elegant metode til vedvarende produktion af brint som et lager, let at transportere brændstof. Lys absorberes i halvlederen og omdannes til elektrisk (foto)spænding, der skal være stor nok til at opdele vandmolekylerne i H ₂ og O ₂ . Det kan teoretisk estimeres ved størrelsen af ​​halvlederens båndgab - afstanden mellem det højeste besatte og laveste ledige energiniveau.

Forskning i de seneste årtier har fokuseret på overgangsmetaloxider som absorberende materialer, som i første omgang ser ud til at være ideel til vandspaltning, da mange af repræsentanterne for denne materialeklasse har båndgab af den korrekte størrelse. Et andet blik afslører, imidlertid, at i virkeligheden er de fotospændinger, der kan genereres ved hjælp af overgangsmetaloxider, ofte for små til at skabe brint. Dette faktum er ikke forstået, og var udgangspunktet for en undersøgelse af Christian Lohaus, Professor Andreas Klein, Professor Wolfram Jaegermann (Institut for Overfladevidenskab, Fakultet for Materiale og Geovidenskab ved TU Darmstadt), hvis resultater nu er offentliggjort i Naturkommunikation .

Grundlæggende undersøgelser

Grundlæggende undersøgelser blev udført på det meget undersøgte materiale hæmatit (Fe ₂ O ₃ ) for at undersøge dets iboende grænser for fotospænding, som er bestemt af de maksimale energiske skift af det såkaldte Fermi-niveau i et materiale. Som en statistisk størrelse, Fermi-niveauet definerer antallet af elektroner og elektronhuller i en halvleder. Dens position kan manipuleres ved at tilføje eller fjerne elektroner. Jo længere den kan flyttes op og ned, jo større er fotospændingen, der kan genereres i halvlederen.

Inden for hæmatit, Fermi-niveauet kan ikke flyttes opad ud over en vis værdi langt under det optiske båndgab. I stedet, en afgiftstilbageførsel fra Fe ³⁺ til Fe ²⁺ blev observeret. Denne vending er en del af udviklingen af ​​såkaldte polaroner, som allerede er kendt som grænsen for overgangsmetaloxider i elektrisk ledningsevne. Arbejdet fra holdet i Darmstadt øger forståelsen for virkningerne af polaroner ved, at de også grundlæggende begrænser skabelsen af ​​fotospændingen. Dette er grunden til, at det optiske båndgab, der lover en højere fotospænding, ikke er det definerende kriterium for anvendeligheden af ​​et materiale i lysdrevet vandopdeling. I stedet, det tilladte område, hvori Fermi-niveauet kan forskydes, er afgørende. Denne kendsgerning begrænser klart anvendeligheden af ​​metaloxider i let-drevet vandspaltning ganske betydeligt.