A hematita e outros óxidos de metais de transição são usados ​​na produção renovável de hidrogênio. Pesquisadores da TU Darmstadt descobriram por que os materiais atingiram seus limites fazendo isso. Seus resultados foram publicados em Nature Communications .

A divisão da água movida a energia solar na fronteira entre um semicondutor e a água (folha artificial) é um método elegante para a produção renovável de hidrogênio como material armazenável, fácil de transportar combustível. A luz é absorvida no semicondutor e convertida em (foto) voltagem elétrica que precisa ser grande o suficiente para dividir as moléculas de água em H ₂ e O ₂ . Ele pode ser estimado teoricamente pelo tamanho do gap do semicondutor - o gap entre o nível de energia mais ocupado e o mais baixo não ocupado.

A pesquisa nas últimas décadas tem se concentrado em óxidos de metais de transição como materiais absorventes, que inicialmente parecem ser ideais para divisão de água, uma vez que muitos dos representantes desta classe de material possuem lacunas de banda do tamanho correto. Uma segunda olhada revela, Contudo, que na realidade as fotovoltagens que podem ser geradas usando óxidos de metais de transição são frequentemente muito pequenas para criar hidrogênio. Este fato não é compreendido, e foi o ponto de partida para um estudo de Christian Lohaus, Professor Andreas Klein, Professor Wolfram Jaegermann (Departamento de Ciência de Superfícies, Faculdade de Materiais e Geociências da TU Darmstadt), cujos resultados já foram publicados em Nature Communications .

Investigações fundamentais

Investigações fundamentais foram realizadas no material muito examinado hematita (Fe ₂ O ₃ ) para investigar seus limites inerentes de fotovoltagem, que são determinados pelas mudanças energéticas máximas do chamado nível de Fermi dentro de um material. Como uma quantidade estatística, o nível de Fermi define o número de elétrons e lacunas de elétrons em um semicondutor. Sua posição pode ser manipulada adicionando ou removendo elétrons. Quanto mais ele pode ser movido para cima e para baixo, quanto maior é a fototensão que pode ser gerada no semicondutor.

Dentro da hematita, o nível de Fermi não pode ser deslocado para cima além de um certo valor bem abaixo do bandgap óptico. Em vez de, uma reversão de carga de Fe ³⁺ para Fe ²⁺ foi observado. Essa reversão faz parte do desenvolvimento dos chamados polarons, que já são conhecidos como o limite para óxidos de metais de transição na condutividade elétrica. O trabalho da equipe em Darmstadt aumenta a compreensão dos efeitos dos polarons pelo fato de que eles também restringem fundamentalmente a criação da fotovoltagem. É por isso que o gap óptico que promete uma maior fotovoltagem não é o critério definidor para a usabilidade de um material na separação da água por luz. Em vez de, o intervalo permitido no qual o nível de Fermi pode ser alterado é decisivo. Este fato limita claramente a aplicabilidade de óxidos de metal em rachaduras de água movidas a luz de maneira bastante significativa.