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利用太陽能的又一新材料研制成功

2017-06-29 09:17:34 作者：本網(wǎng)整理來源：新材料在線分享至：

圖注：材料中原子之間的電子運動（即電導率）對許多材料的性質至關重要。這項研究中，科學家們發(fā)現(xiàn)，當三分之一的鐵原子（Fe）被鉻（Cr）替換而形成半導體鉻鐵氧體（Fe2CrO4）時，磁鐵礦（Fe3O4）的導電性會發(fā)生變化。由上圖可知，鉻在結構中代替換了鐵，他們發(fā)現(xiàn)了電子如何從一個原子跳到另一個原子。圖中由黑色箭頭描繪這一狀態(tài)。

圖片來源：Scott Chamber

實驗表明，一次沉積一層原子的材料可能會大大改善燃料電池、電池和其他電子設備的性能。在這項研究中，科學家精確地將鉻添加到氧化鐵中以控制電子和光學性能。結果通過這種方法制備了一種高度有序的鉻鐵氧體（Fe2CrO4）薄膜。鉻鐵氧體通過吸收光而變得更加導電。該材料可用于重要的太陽能過程，例如將水分解制造可以用于燃料，冷卻劑等的氫氣。

研究提出了設計和制作具有新的性能特征的材料的見解。例如，科學家們可以使用鉻鐵氧體膜的光學性質來從水和陽光中產(chǎn)生氫氣。氫在化學和石油工業(yè)以及冷卻液中至關重要。此外，氫氣作為運輸或發(fā)電的燃料越來越受到人們的歡迎。

在這項研究中，科學家們使用分子束外延沉積法精確定量沉積鐵原子（Fe），鉻原子（Cr）和氧原子（O），以得到導電性不同的鐵氧體。研究人員總共制作了三種不同組分的材料：Fe3O4（半金屬），F(xiàn)e2CrO4（半導體）和FeCr2O4（絕緣體）。這項研究得出了這些鐵鉻氧化物的導電性能，顯示了晶格中元素的位置、氧化態(tài)或電荷（陽離子）的位置以及電子在結構內(nèi)移動的能力，這種能力代表著他們各自的導電屬性。

Fe2CrO4的結構顯示為尖晶石結構，其具有四面體位置的Fe，而在八面體位置具有Cr和Fe。并且發(fā)現(xiàn)Fe處于兩種價態(tài)之一，正2價或正3價，但發(fā)現(xiàn)Cr只有正3價。因此，電子可以在四面體和八面體位置的Fe陽離子之間跳躍。然而，該團隊還其發(fā)現(xiàn)電導率低于Fe3O4的電導率，F(xiàn)e3O4的電子可以在八面體位置自由地在正2價鐵離子與正3價鐵離子之間躍遷。但在FeCr2O4的情況下，F(xiàn)e僅作為正2價陽離子存在。

由上可知，電子沒辦法在相同價態(tài)的Fe陽離子之間傳遞，如出現(xiàn)這樣情況材料表現(xiàn)為電絕緣體。另外，該團隊表明，F(xiàn)e2CrO4可以吸收可見光，可以增強其導電性或光電導率。 Fe2CrO4的光學和電子性質表明，該材料可用于如水分解的重要的太陽光電化學過程。

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責任編輯：殷鵬飛

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