Hematit och andra övergångsmetalloxider används i den förnybara produktionen av väte. Forskare vid TU Darmstadt har upptäckt varför materialen nådde sina gränser när de gjorde det. Deras resultat har nu publicerats i Naturkommunikation .

Den soldrivna klyvningen av vatten vid gränsen mellan en halvledare och vatten (konstgjorda löv) är en elegant metod för förnybar produktion av väte som lagringsbart, lätt att transportera bränsle. Ljus absorberas i halvledaren och omvandlas till elektrisk (foto)spänning som måste vara tillräckligt stor för att dela upp vattenmolekylerna till H ₂ och O ₂ . Det kan teoretiskt uppskattas av storleken på halvledarens bandgap – gapet mellan den högsta ockuperade och lägsta lediga energinivån.

Forskning under de senaste decennierna har fokuserat på övergångsmetalloxider som absorberande material, som från början verkar vara idealiska för vattenklyvning, eftersom många av representanterna för denna materialklass har bandgap av rätt storlek. En andra blick avslöjar, dock, att i verkligheten är de fotospänningar som kan genereras med hjälp av övergångsmetalloxider ofta för små för att skapa väte. Detta faktum är inte förstått, och var utgångspunkten för en studie av Christian Lohaus, Professor Andreas Klein, Professor Wolfram Jaegermann (Institutionen för ytvetenskap, fakulteten för material och geovetenskap vid TU Darmstadt), vars resultat nu har publicerats i Naturkommunikation .

Grundläggande utredningar

Grundläggande undersökningar utfördes på det mycket undersökta materialet hematit (Fe ₂ O ₃ ) för att undersöka dess inneboende gränser för fotospänning som bestäms av de maximala energetiska skiftningarna av den så kallade Fermi-nivån i ett material. Som en statistisk storhet, Fermi-nivån definierar antalet elektroner och elektronhål i en halvledare. Dess position kan manipuleras genom att lägga till eller ta bort elektroner. Ju längre den kan flyttas uppåt och nedåt, desto större är fotospänningen som kan genereras i halvledaren.

Inom hematit, Fermi-nivån kan inte flyttas uppåt bortom ett visst värde långt under det optiska bandgapet. Istället, en avgiftsförändring från Fe ³⁺ till Fe ²⁺ var observerad. Denna vändning är en del av utvecklingen av så kallade polaroner, som redan är kända som gränsen för övergångsmetalloxider i elektrisk konduktivitet. Arbetet av teamet i Darmstadt ökar förståelsen för effekterna av polaroner genom att de också i grunden begränsar skapandet av fotospänningen. Det är därför det optiska bandgapet som utlovar en högre fotospänning inte är det avgörande kriteriet för användbarheten av ett material i ljusdriven vattenklyvning. Istället, det tillåtna området inom vilket Fermi-nivån kan förskjutas är avgörande. Detta faktum begränsar helt klart användbarheten av metalloxider i lättdriven vattenklyvning ganska avsevärt.