利用太阳能的又一新材料研制成功
2017-06-29 09:17:34
作者：本网整理 来源：新材料在线
图注：材料中原子之间的电子运动（即电导率）对许多材料的性质至关重要。这项研究中，科学家们发现，当三分之一的铁原子（Fe）被铬（Cr）替换而形成半导体铬铁氧体（Fe2CrO4）时，磁铁矿（Fe3O4）的导电性会发生变化。由上图可知，铬在结构中代替换了铁，他们发现了电子如何从一个原子跳到另一个原子。图中由黑色箭头描绘这一状态。
图片来源：Scott Chamber
实验表明，一次沉积一层原子的材料可能会大大改善燃料电池、电池和其他电子设备的性能。在这项研究中，科学家精确地将铬添加到氧化铁中以控制电子和光学性能。结果通过这种方法制备了一种高度有序的铬铁氧体（Fe2CrO4）薄膜。铬铁氧体通过吸收光而变得更加导电。该材料可用于重要的太阳能过程，例如将水分解制造可以用于燃料，冷却剂等的氢气。
研究提出了设计和制作具有新的性能特征的材料的见解。例如，科学家们可以使用铬铁氧体膜的光学性质来从水和阳光中产生氢气。氢在化学和石油工业以及冷却液中至关重要。此外，氢气作为运输或发电的燃料越来越受到人们的欢迎。
在这项研究中，科学家们使用分子束外延沉积法精确定量沉积铁原子（Fe），铬原子（Cr）和氧原子（O），以得到导电性不同的铁氧体。研究人员总共制作了三种不同组分的材料：Fe3O4（半金属），Fe2CrO4（半导体）和FeCr2O4（绝缘体）。这项研究得出了这些铁铬氧化物的导电性能，显示了晶格中元素的位置、氧化态或电荷（阳离子）的位置以及电子在结构内移动的能力，这种能力代表着他们各自的导电属性。
Fe2CrO4的结构显示为尖晶石结构，其具有四面体位置的Fe，而在八面体位置具有Cr和Fe。并且发现Fe处于两种价态之一，正2价或正3价，但发现Cr只有正3价。因此，电子可以在四面体和八面体位置的Fe阳离子之间跳跃。然而，该团队还其发现电导率低于Fe3O4的电导率，Fe3O4的电子可以在八面体位置自由地在正2价铁离子与正3价铁离子之间跃迁。但在FeCr2O4的情况下，Fe仅作为正2价阳离子存在。
由上可知，电子没办法在相同价态的Fe阳离子之间传递，如出现这样情况材料表现为电绝缘体。另外，该团队表明，Fe2CrO4可以吸收可见光，可以增强其导电性或光电导率。 Fe2CrO4的光学和电子性质表明，该材料可用于如水分解的重要的太阳光电化学过程。
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