Grundlagenstudien zur photoelektrochemischen Wasseroxidation an Hämatit-Nanostrukturen
Creators: name: Kretschmer, Imme Elisabeth
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2023
Subjects: subject: Hematite
subject: Laser Flash Photolysis
subject: Transient Absorption
subject: Charge Carrier Dynamics
subject: Trapping Processes
subject: Hämatit
subject: Laser Blitz Photolyse
subject: Transiente Absorption
subject: Ladungsträger-Dynamik
subject: Trapping Prozesse
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::540 | Chemie

description: Während des vergangenen Jahrzehnts gewann die Synthese neuartiger Materialien für die Anwendung bei der photoelektrochemischen Wasserspaltung zunehmende Bedeutung. Das Verständnis der zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen ist für die Entwicklung und Efﬁzienzverbesserung solcher Materialien von großer Wichtigkeit. Hämatit ist eines der meist-untersuchten und best-bekannten Materialien für die photoelektrochemische Wasseroxidation und seine Reaktions- mechanismen sind zunehmend gut untersucht. Trotzdem gibt es noch offene Fragen in Bezug auf die Natur der bei der Bestrahlung entstehenden Ladungsträger und ihre Rekombinationskinetik. Transiente Absorptionsspektroskopie mittels Laser Flash Photolyse ist eine verbreitete und potente Methode zur Untersuchung der Ladungsträgerdynamiken. In der vorliegenden Arbeit wurde die Natur der Ladungsträger in kommerziellen sowie selbst erstellten Hämatit-Pulvern mittels Nanosekunden-Laser Flash Photolyse in diffuser Reﬂexion untersucht. Die kinetische Abhängigkeit der Transienten von der Sauerstoff-Konzentration an der Oberﬂäche wurde durch Variation der umgebenden Atmosphäre (Argon, Stickstoff, Luft, Sauerstoff, Ozon) untersucht. Eine steigende Sauerstoff-Konzentration führt dabei zu kürzeren Lebensdauern der getrappten Ladungsträger. Ein Vergleich mit thermisch vorbehandelten Proben zeigt eine Korrelation der Sauerstoff-Konzentration mit der Anzahl der Fehlstellen an der Kristallit-Oberﬂäche. Eine Rekonstruktion des transienten Absorptionsspektrums ermöglicht die Zuordnung der Signale im Wellenlängenbereich von 550-850 nm zu verschiedenen Spezies getrappter Löcher. Aufgrund der Laserenergie während der Bestrahlung wurden irreversible strukturelle Veränderungen der Pulverproben festgestellt. Eine Charakterisierung mittels Röntgendiffraktometrie zeigt einen Phasenübergang von Hämatit zu Magnetit. Dieser konnte als durch einen Überschuss an Fehlstellen und die damit verbundene Gitterverzerrung verursachte Strukturänderung beschrieben werden. Die Aufnahme von transienten Absorptionsspektren an Magnetit-Pulvern bestätigt die Rolle der Defekte, erzeugt durch die Lasereinwirkung. Schließlich konnten zwei Arten des Ladungstransfers in Abhängigkeit von der Sauerstoff-Konzentration beobachtet und über mathematische Auﬂösung des Spektrums den einzelnen Banden zugeordnet werden. Die Übergänge entsprechen dabei dem Lochtrapping an Eisen-Kationen sowie an Sauerstoff-Anionen. Ein dritter Übergang entspricht den von der Sauerstoff-Konzentration abhängigen Fehlstellen.
description: During the last decade, the synthesis of new materials for photoelectrochemical water splitting has gained increased attention. Understanding on the fundamental reaction mechanisms is of high importance for efﬁciency enhancement and design of such materials. Hematite is among the most well known materials for photoelectrochemical water splitting and its reaction mechanisms are well researched. However, there are still open questions concerning the nature of the charge carriers created upon irradiation and its recombination kinetics. Transient absorption spectroscopy via laser ﬂash photolysis is a well known and widely used technique to investigate fundamental charge carrier dynamics. In the present work, the nature of photogenerated charge carriers in commercial and self prepared hematite powders was investigated via Nanosecond Laser Flash Photolysis Spectroscopy in diffuse reﬂectance mode. The kinetic dependency of the transients from oxygen concentration on the surface was studied via variation of surrounding atmosphere (argon, nitrogen, air, oxygen, ozone). Increasing oxygen concentration was found to lead to shorter lifetimes of the trapped char- ge carriers. A comparison with thermally pre-treated samples revealed a correlation of oxygen concentration and the number of defects on the cristallite surface. A reconstruction of the transient absorption spectrum allowed to assign signals in the wavelength region of 550-850 nm to trapped holes of different species. With high output energy during laser irradiation, irreversible structural changes could be observed on powdered samples. Characterization via X-ray diffractometry reveals phase change of hematite to magnetite. This change could be described as structural change caused by an excess of defects and resulting lattice distortion. Transient absorption spectra recorded from magnetite powdered samples conﬁrmed the role of defects created by laser exposure. Finally, two different ways of charge transfer, dependent on oxygen concentration were observed and could be assigned to signals at speciﬁc wavelengths via mathematical deconvolution of the absorption spectrum. These correspond to hole trapping at iron-kations and oxygen-anions, respectively. A third charge transfer signal corresponds to oxygen dependent defects.