光电化学电池(PEC)中太阳能水分解产生的氢气一直被认为是可持续能源研究的圣杯。氧化铁是一种很有前途的电极材料。由瑞士联邦材料科学与技术实验室Empa领导的国际研究团队现在已经深入了解了氧化铁电极的电子结构 - 当它正在运行时。这为太阳能产生可负担的氢气开辟了新的可能性。
赤铁矿，氧化铁的矿物形式(或平凡的，生锈的)，是光电化学电池(PEC)的有前景的阳极材料，因为它的可负担性，可用性，高稳定性和与太阳光谱的良好光谱匹配。虽然它具有15%的太阳能 - 氢能转换效率，但其实际效率低于其他金属氧化物。这是由于赤铁矿的电子结构，它只允许超短电子空穴激发态寿命。
赤铁矿有用的漏洞
电子是众所周知的(负)电荷载体，在我们的日常生活中是不可或缺的，但它们并不是单独发挥作用。当电子离开其指定的位置时，它留下一个可以有效地表现为正电荷载体的孔，前提是电子和空穴保持分离并且不会重新结合。在现代半导体电子产品中，空穴是重要的电荷载体，没有它们，电池，电容器，燃料电池，太阳能电池和PEC等设备就无法运行。PEC电极通常在受到阳光照射时形成电子 - 空穴对。在由赤铁矿制成的PEC光阳极中，产生的空穴必须扩散到半导体表面，在那里它们可以氧化水并形成氧。
然而，赤铁矿的电子结构使得光生空穴在到达表面之前倾向于与电子重新结合。结果，所产生的光电流受到实际到达表面的相对较少的孔的限制。最近优化赤铁矿光阳极的纳米结构形态的努力已经导致性能的显着改善，但是尽管做出了这些努力，但赤铁矿的总能量转换效率仍然仅为其潜力的约三分之一。因此，电子和空穴传输的智能管理对于更好的材料性能至关重要。
在这种情况下，更好地了解赤铁矿表面的空穴状态一直是人们非常感兴趣和争论的主题。长期以来人们一直怀疑在赤铁矿中形成了两种具有不同水分解能力的孔。存在对水氧化具有不同反应性的不同类型的孔对赤铁矿的最终性能具有广泛的影响。但是很难检测到这样的孔，并且由于许多技术限制，对这种现象的研究变得复杂。而且，这些洞是过渡性的，非常难以捉摸。
并非所有的洞都是平等的
在最近发表于物理化学杂志C的一项研究中，Empa研究人员Artur Braun和Debajeet Bora及其来自EPF洛桑的同事，巴塞尔大学，中国和美国研究了PEC中光电生成孔的特性。设计用于在单元格运行时收集数据(“ operando他们在模拟太阳光下和黑暗中记录了软X射线吸收光谱，并确定了两个对应于两个不同空穴跃迁的新光谱特征，一个O 2p空穴跃迁到电荷转移带和一个Fe 3d型空穴跃迁根据Braun的说法，这是第一次分析PEC光电阳极的电子结构时，它处于真正的水分解作用，即与电解质接触，在阳极偏压下和可见光照射下。 “这个极其复杂的实验的准备工作花了我们三年时间，”Braun说，“毕竟，软X射线光谱学只能在超高真空中工作，光电化学只能在液体中起作用。两者结合在技术上是一个很大的进步。然而，
他们的开创性实验证明，在光电流产生的确切条件下，在半导体 - 液体界面处形成两种不同类型的电子空穴。对它们的光谱特征的定量分析表明，与早期的推测和历史感知相反，两种类型的孔都有助于产生光电流。“这是了解太阳能水分裂的一个里程碑，也是全球研究人员为PEC光阳极优化赤铁矿的研究人员提供的新闻，”Braun说。
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