Baner vejen til kunstig fotosyntese:Effekt af doping på fotokatalysatoren SrTiO3

I mange år, forskere har været fokuseret på at udvikle teknologier, der kan hjælpe os med at bekæmpe den forestående klimaforandringer. De har ét mål til fælles:At finde bæredygtige energikilder, der kan erstatte de miljøgiftige fossile brændstoffer. Fotokatalysatorer, der driver en kunstig proces, der replikerer fotosyntese (hvor solenergi omdannes til nyttige materialer), er lovende i denne henseende, givet, at vi er i stand til at udvikle den teknologi, der er nødvendig for dem. Krystallinske materialer, såsom strontiumtitanat (SrTiO ₃ ), som kan tjene som fotokatalysatorer i solenergiapparater, kan lede os i retningen.

SrTiO ₃ er attraktiv også af forskellige andre årsager, såsom dets potentielle anvendelser i resistive kontakter og brændselscellekomponenter. Den alsidige natur af SrTiO ₃ har motiveret fysikere til at studere dets forskellige materialeegenskaber i detaljer. Men for at grave dybere ned i egenskaberne ved SrTiO ₃ , vi skal forstå lidt mere om dem.

Fotokatalytiske materialer såsom SrTiO ₃ er normalt "dopet" med kemikalier som niob (Nb), der hjælper med at forbedre deres elektriske egenskaber. Men en proces kaldet ladningsrekombination kan forekomme i fotokatalysatorer, hvilket hæmmer med deres effektivitet. I denne proces, mobile ladebærere til stede i materialet, såsom elektroner og huller, når de udsættes for lys, kan udslette hinanden. Nogle undersøgelser har vist, at ladningsrekombination påvirkes af tilstedeværelsen af ​​defekter i krystaller. Så hvordan påvirker Nb-doping materialets egenskaber af SrTiO ₃ ? Det er præcis, hvad et team af forskere ved Nagoya Institute of Technology, Japan, ledet af prof. Masashi Kato, ønskede at finde ud af.

I deres undersøgelse offentliggjort i Journal of Physics D:Anvendt fysik , forskerne så på virkningerne af lavkoncentration Nb-doping, samt ingen doping, på overfladerekombinationen i SrTiO ₃ krystaller. Prof. Kato forklarer, "Kvantitativ måling af virkningerne af overflader og niobium urenheder i SrTiO ₃ på carrier rekombination kan hjælpe os med at designe fotokatalysatorer med en optimal struktur til kunstig fotosyntese."

Forskerne analyserede først overfladerekombinationen, eller "henfald" -mønstre af udopede SrTiO ₃ prøver såvel som dem, der er dopet med forskellige koncentrationer af Nb, ved hjælp af en teknik kaldet mikrobølgefotokonduktivitetsforfald. For yderligere at undersøge bulkcarrier-rekombinationsegenskaberne af doterede prøver og forskellige energiniveauer introduceret af Nb-doping, en anden teknik kaldet tidsopløst fotoluminescens blev brugt.

Forskerne fandt ud af, at rekombinationen af ​​exciterede bærere ikke var afhængig af deres koncentration, hvilket indikerer, at de rekombinerede via overflade- og Shockley-Read-Hall-processer (som er ufølsomme over for exciterende bærerkoncentration). I øvrigt, den dopede prøve viste hurtigere henfaldskurver, hvilket kan skyldes introduktionen af ​​et rekombinationscenter ved Nb -doping. Doping af materialet med høje koncentrationer af Nb viste negative effekter på bærerdoping. I øvrigt, størrelsen af ​​fotokatalysatoren, og ikke dens form, påvirket overfladerekombination og i sidste ende dens samlede effektivitet.

Undersøgelsen konkluderede, at moderat Nb-dopet SrTiO ₃ kunne faktisk være mere gavnlig end ren SrTiO ₃ , især ved drift ved højere driftstemperaturer. Disse fund kan hjælpe os med at designe SrTiO ₃ fotokatalysatorer med en lavere overfladerekombination og højere energiomdannelse, fører til udvikling af effektive, bæredygtige energikilder.

Prof. Kato konkluderer optimistisk, "Vi er overbeviste om, at vores fund kan fremskynde udviklingen af ​​kunstige fotosynteseteknologier, i sidste ende bidrage til en grønnere, et mere bæredygtigt samfund. "