La hematita y otros óxidos de metales de transición se utilizan en la producción renovable de hidrógeno. Los investigadores de TU Darmstadt han descubierto por qué los materiales llegaron a sus límites al hacerlo. Sus resultados se han publicado ahora en Comunicaciones de la naturaleza .

La división del agua con energía solar en el límite entre un semiconductor y el agua (hoja artificial) es un método elegante para la producción renovable de hidrógeno almacenable, fácil de transportar combustible. La luz se absorbe en el semiconductor y se convierte en voltaje eléctrico (foto) que debe ser lo suficientemente grande como para dividir las moléculas de agua en H ₂ y O ₂ . Teóricamente se puede estimar por el tamaño de la banda prohibida del semiconductor, la brecha entre el nivel de energía ocupado más alto y el nivel más bajo desocupado.

La investigación de las últimas décadas se ha centrado en los óxidos de metales de transición como materiales absorbentes, que inicialmente parecen ser ideales para la división del agua, ya que muchos de los representantes de esta clase de materiales poseen espacios de banda del tamaño correcto. Una segunda mirada revela, sin embargo, que en realidad los fotovoltajes que se pueden generar usando óxidos de metales de transición son a menudo demasiado pequeños para crear hidrógeno. Este hecho no se comprende, y fue el punto de partida para un estudio de Christian Lohaus, Profesor Andreas Klein, Profesor Wolfram Jaegermann (Departamento de Ciencia de Superficies, Facultad de Materiales y Geociencias de la TU Darmstadt), cuyos resultados se han publicado ahora en Comunicaciones de la naturaleza .

Investigaciones fundamentales

Se llevaron a cabo investigaciones fundamentales sobre el material muy examinado hematites (Fe ₂ O ₃ ) para investigar sus límites inherentes de fotovoltaje que están determinados por los cambios energéticos máximos del llamado nivel de Fermi dentro de un material. Como cantidad estadística, el nivel de Fermi define el número de electrones y huecos de electrones en un semiconductor. Su posición se puede manipular agregando o quitando electrones. Cuanto más se pueda mover hacia arriba y hacia abajo, mayor es el fotovoltaje que se puede generar en el semiconductor.

Dentro de la hematita, el nivel de Fermi no se puede desplazar hacia arriba más allá de un cierto valor muy por debajo de la banda prohibida óptica. En lugar de, una inversión de carga de Fe ³⁺ a Fe ²⁺ fue observado. Esta inversión es parte del desarrollo de los llamados polarones, que ya se conocen como el límite de los óxidos de metales de transición en la conductividad eléctrica. El trabajo del equipo en Darmstadt aumenta la comprensión de los efectos de los polarones por el hecho de que también restringen fundamentalmente la creación del fotovoltaje. Esta es la razón por la que la banda prohibida óptica que promete un fotovoltaje más alto no es el criterio que define la usabilidad de un material en la división del agua impulsada por la luz. En lugar de, el rango permitido en el que se puede cambiar el nivel de Fermi es decisivo. Este hecho limita claramente la aplicabilidad de los óxidos metálicos en la división de agua con energía luminosa de manera bastante significativa.