Это звучит как волшебство: фотоэлектроды могут преобразовывать парниковый газ CO₂ обратно в метанол или N₂ молекулы в ценное удобрение, используя только энергию солнечного света.

Исследование HZB теперь показало, что алмазные материалы в принципе подходят для таких фотоэлектродов. Объединив методы рентгеновской спектроскопии в BESSY II с другими методами измерения, команде Тристана Пети впервые удалось точно отследить, какие процессы возбуждаются светом, а также определить решающую роль поверхности алмазных материалов.

На первый взгляд, выращенные в лаборатории алмазные материалы имеют мало общего со своими тезками в ювелирном магазине. Они зачастую непрозрачные, темные и выглядят совершенно не эффектно. Но даже если их внешний вид не впечатляет, они перспективны во многих различных приложениях, например, в мозговых имплантатах, квантовых датчиках и компьютерах, а также в качестве безметалловых фотоэлектродов для фотоэлектрохимического преобразования энергии.

Они полностью экологичны и изготовлены только из углерода, мало разлагаются со временем по сравнению с фотоэлектродами на металлической основе и могут производиться промышленным способом!

Алмазные материалы подходят в качестве безметалловых фотоэлектродов, поскольку при возбуждении светом они могут высвобождать электроны в воде и запускать химические реакции, которые иначе трудно инициировать. Конкретным примером является сокращение выбросов CO.₂ в метанол, который превращает парниковый газ в ценное топливо. Также было бы интересно использовать алмазные материалы для преобразования N₂ в азотное удобрение NH₃используя гораздо меньше энергии, чем процесс Габера-Боша.

Однако алмазные электроды окисляются в воде, а окисленные поверхности, как предполагалось, уже не излучают электроны в воду. Кроме того, ширина запрещенной зоны алмаза находится в УФ-диапазоне (5,5 эВ), поэтому видимого света вряд ли будет достаточно для возбуждения электронов. Несмотря на эти ожидания, предыдущие исследования показали загадочную эмиссию электронов при возбуждении видимым светом. Новое исследование, проведенное группой доктора Тристана Пети из HZB, теперь приносит новые знания и дает повод для надежды.

Доктор Арсен Шемен, научный сотрудник команды Пети, изучал образцы алмазных материалов, произведенных в Институте прикладной физики твердого тела Фраунгофера во Фрайбурге. Образцы были разработаны для облегчения выбросов CO.₂ реакция восстановления: легированные бором для обеспечения хорошей электропроводности и наноструктурированные, что дает им огромные поверхности для увеличения эмиссии носителей заряда, таких как электроны.

Чемин использовал четыре метода рентгеновской спектроскопии в BESSY II, чтобы охарактеризовать поверхность образца и энергию, необходимую для возбуждения определенных электронных поверхностных состояний. Затем он использовал поверхностную фотоэдс, измеренную в специализированной лаборатории HZB, чтобы определить, какие из этих состояний возбуждаются и как носители заряда смещаются в образцах. Кроме того, он измерил фотоэмиссию электронов образцов как в воздухе, так и в жидкости.

Объединив эти результаты, ему впервые удалось составить полную картину процессов, происходящих на поверхности образца после возбуждения светом.

«Удивительно, но мы почти не обнаружили разницы в фотоэмиссии зарядов в жидкости независимо от того, были ли образцы окислены или нет», — говорит Чемин. Это показывает, что алмазные материалы хорошо подходят для использования в водных растворах. Возможно также возбуждение видимым светом: в случае образцов, легированных бором, для возбуждения электронов достаточно фиолетового света (3,5 эВ).

«Эти результаты являются большим поводом для оптимизма», — говорит Чемин: «Благодаря алмазным материалам мы имеем новый класс материалов, которые можно исследовать и широко использовать». Более того, интересна и методология этого исследования: сочетание этих различных спектроскопических методов может также привести к новым прорывам в других фотоактивных полупроводниковых материалах, отмечает физик.

Работа опубликована в журнале Маленькие методы.