Paola Delcompare-Rodriguez, Corso di Dottorato in Fisica
Studio teorico di regioni di carica spaziale ultrasottili in fotoelettrodi di ematite
I cambiamenti climatici e il crescente fabbisogno di energia a livello globale rendono necessaria una transizione dai carburanti fossili convenzionali verso opzioni più sostenibili. Una delle possibilità è lo stoccaggio di energia solare in legami chimici. Questo può essere ottenuto tramite reazioni fotoelettrochimiche in celle fotoelettrochimiche, che sono costituite da fotoanodo, catodo, elettrolita e circuito elettrico esterno. In questo contesto, una delle reazioni più studiate è la scissione dell’acqua in ossigeno e idrogeno molecolari. L'ematite (a-Fe2O3) è un ossido che è un potenziale fotoanodo grazie alle sue proprietà favorevoli. Tuttavia, presenta anche delle criticità: bassa conduttività, alto tasso di ricombinazione di elettroni e lacune, e cinetica lenta della reazione di evoluzione di ossigeno. Gli ultimi due fenomeni sono dovuti al trasferimento rallentato delle lacune all’interfaccia tra ematite ed elettrolita.
Una migliore comprensione dell’interfaccia semiconduttore-elettrolita sarebbe importante per razionalizzare queste problematiche. Nello schema più semplice, l’interfaccia consiste di una regione di carica spaziale nel semiconduttore; uno strato di Helmholtz compatto e uno strato di Gouy-Chapman diffuso nel liquido, vedi Figura 1. Molto lavoro è stato dedicato all’investigazione di questa interfaccia: a partire da modelli analitici, attraverso la sua caratterizzazione sperimentale, fino a simulazioni da principi primi. Queste ultime sono state a lungo considerate impossibili a causa della grande estensione dell’interfaccia, normalmente stimata in scale da decine di nanometri fino a micrometri. Tuttavia, in esperimenti recenti, in fotoanodi di ematite altamente drogati sono state misurate regioni di carica spaziale di misura inferiore ai 10 Å (1 nanometro), che in principio sarebbero accessibili a simulazione diretta ab-initio.
Queste simulazioni costituiscono un primo passo verso la comprensione a livello atomico della regione di carica spaziale, e questo contribuisce all’obiettivo di sviluppare fonti di energie ecologiche e sostenibili.
