Struttura locale di fotoanodi a base di ematite per water splitting

Hematite-based thin films and nanostructures are insteresting nanomaterials for photocatalytic water splitting, due to the good match of the hematite absorption spectrum with the solar emission and to the sustainability of Fe-based oxides. Nevertheless, the efficiency of the photocatalytic process for these photoanodes is very low due to the high recombination rate of the photogenerated charges and to the high resistivity. Doping with 4+ ions, as Sn, Si, Ti, has been demonstrated to be an effective way to increase the photocurrent, considering that these ions can partially substitute Fe ions in the hematite crystal lattice and act as electron donors. At present, the role of these dopants is not fully clarified, and the substitutional character of largest ions (Sn) has never being investigated in detail. This thesis will investigate this aspect, with a synchrotron-radiaton based experiment to investigate the site of Sn ions in hematite based photoanodes prepared by magnetron co-sputtering and subsequent thermal annealing. With the aim to relate the local structure of the photoanodes with the photoelectrocatalytic properties.

Film sottili e nanostrutture a base di ematite sono nanomateriali interessanti per il water splitting fotocalizzato, grazie alla buona corrispondenza dello spettro di assorbimento dell'ematite con l'emissione solare e alla sostenibilità degli ossidi a base di ferro. Tuttavia, l'efficienza del processo fotocatalitico per questi fotoanodi è molto bassa a causa dell'elevata velocità di ricombinazione delle cariche fotogenerate e dell'elevata resistività. Il drogaggio con ioni 4+, come Sn, Si, Ti, ha dimostrato di essere un modo efficace per aumentare la fotocorrente, considerando che questi ioni possono sostituire parzialmente gli ioni ferro nel reticolo cristallino dell'ematite e agire come donatori di elettroni. Attualmente, il ruolo di questi droganti non è completamente chiarito e il carattere sostituzionale degli ioni più grandi (Sn) non è mai stato studiato in dettaglio. Questa tesi indaga questo aspetto, con un esperimento basato sulla radiazione di sincrotrone per studiare la posizione degli ioni Sn in fotoanodi a base di ematite preparati mediante magnetron co-sputtering e successivo annealing termico. Con l'obiettivo di mettere in relazione la struttura locale dei fotoanodi con le proprietà fotoelettrocatalitiche.