Hematiet en andere overgangsmetaaloxiden worden gebruikt bij de hernieuwbare productie van waterstof. Onderzoekers van de TU Darmstadt hebben ontdekt waarom de materialen daarbij hun grenzen bereikten. Hun resultaten zijn nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Het op zonne-energie splitsen van water op de grens tussen een halfgeleider en water (kunstblad) is een elegante methode voor de duurzame productie van waterstof als opslagbaar, gemakkelijk te vervoeren brandstof. Licht wordt geabsorbeerd in de halfgeleider en omgezet in elektrische (foto)spanning die groot genoeg moet zijn om de watermoleculen te splitsen in H ₂ en O ₂ . Het kan theoretisch worden geschat door de grootte van de bandafstand van de halfgeleider - de kloof tussen het hoogste bezette en laagste onbezette energieniveau.

Onderzoek in de afgelopen decennia heeft zich gericht op overgangsmetaaloxiden als absorberende materialen, die aanvankelijk ideaal lijken voor het splitsen van water, aangezien veel van de vertegenwoordigers van deze materiaalklasse bandafstanden van de juiste grootte hebben. Een tweede blik onthult, echter, dat in werkelijkheid de fotospanningen die met overgangsmetaaloxiden kunnen worden opgewekt vaak te klein zijn om waterstof te maken. Dit feit wordt niet begrepen, en was het startpunt voor een studie van Christian Lohaus, Professor Andreas Klein, Professor Wolfram Jaegermann (Departement Oppervlaktewetenschappen, Faculteit Materiaal- en Geowetenschappen aan de TU Darmstadt), waarvan de resultaten nu zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Fundamentele onderzoeken

Fundamentele onderzoeken werden uitgevoerd op het veel onderzochte materiaal hematiet (Fe ₂ O ₃ ) om de inherente limieten van fotospanning te onderzoeken die worden bepaald door de maximale energetische verschuivingen van het zogenaamde Fermi-niveau in een materiaal. Als statistische grootheid, het Fermi-niveau definieert het aantal elektronen en elektronengaten in een halfgeleider. Zijn positie kan worden gemanipuleerd door elektronen toe te voegen of te verwijderen. Hoe verder het omhoog en omlaag kan worden bewogen, des te groter is de fotospanning die in de halfgeleider kan worden opgewekt.

Binnen hematiet, het Fermi-niveau kan niet boven een bepaalde waarde ver onder de optische bandgap worden verschoven. In plaats daarvan, een lading omkering van Fe ³⁺ naar Fe ²⁺ werd waargenomen. Deze omkering maakt deel uit van de ontwikkeling van zogenaamde polarons, die al bekend staan ​​als de limiet voor overgangsmetaaloxiden in elektrische geleidbaarheid. Het werk van het team in Darmstadt vergroot het begrip van de effecten van polaronen door het feit dat ze ook de vorming van de fotospanning fundamenteel beperken. Dit is de reden waarom de optische bandafstand die een hogere fotospanning belooft, niet het bepalende criterium is voor de bruikbaarheid van een materiaal bij door licht aangedreven watersplitsing. In plaats daarvan, het toegestane bereik waarin het Fermi-peil kan worden verschoven, is bepalend. Dit feit beperkt duidelijk de toepasbaarheid van metaaloxiden in door licht aangedreven watersplitsing aanzienlijk.