С помощью катализатора солнечный свет может управлять окислением воды до кислорода и высвобождением электронов для генерации тока, этот процесс также называется искусственным фотосинтезом. Оксид железа в форме гематита — удобный и дешевый кандидат на катализатор, но электроны, высвобождаемые в результате химической реакции, имеют тенденцию снова захватываться и теряться; поток электроэнергии неэффективен. В качестве решения проблемы Jinlong Gong из Тяньцзиньского университета, Китай, представил пассивирующий слой диоксида титана нанометровой толщины.
Это не только предотвращает рекомбинацию зарядов между структурой гематитового электрода и подложкой, но также обеспечивает оксид железа значительным источником легирования для увеличения плотности носителей заряда, что является очень многообещающим эффектом для фотоэлектрических приложений.Гематит может быть богатым материалом (железная руда), но, несмотря на его фотокаталитические преимущества, такие как фотостабильность и хорошие энергетические предпосылки, ученые все еще борются с его медленной кинетикой и плохой электропроводностью. Наноструктурированный гематит может быть одним из решений. Гематитовые фотокатализаторы выращиваются на проводящих стеклянных подложках в виде массивов наностержней, которые дополнительно снабжены ветвями для получения кустистой дендритной формы.
Эта разветвленная структура наностержней значительно увеличивает поверхность, способствуя реакции окисления воды, но проблема рекомбинации заряда, особенно на границе раздела гематит-субстрат, не решена.Поэтому Гонг и его коллеги вырастили дендритные наностержни гематита на прослойке диоксида титана, который сам по себе является фотоактивным материалом. Если структура с покрытием достаточно тонкая, она может предотвратить рекомбинацию зарядов и обеспечить проводимость, но это было не единственное намерение ученых. «Промежуточный слой из диоксида титана считался источником катионов титана для легирования гематита», — утверждали они.
Легирование здесь означает увеличение плотности носителей заряда в фотокатализаторе за счет увеличения количества положительных центров и повышения электропроводности.Оба эффекта, пассивация и легирование, действительно приводили к увеличению фототока более чем в четыре раза при стандартных условиях.
Добавление сокатализатора гидроксида железа еще больше увеличило плотность фототока до значения, более чем в пять раз превышающего плотность нелегированной системы. Эта конструкция, сочетающая в себе дешевые материалы, несколько этапов подготовки и улучшенные электрические характеристики, может служить примером для улучшенных систем зеленого искусственного фотосинтеза.