研究人員最近揭示，半導體電極能夠實現綠色氫氣的生產。他們發現，半導體材料通過（光）電化學能夠產生綠色氫氣。由于瓦斯庫拉大學（University of Jyväskylä）領導的研究團隊強調，創新的原子級模擬及精確的（光譜）電化學實驗揭示了在典型二氧化鈦（TiO2）半導體上氫氣生成反應的基本機制，並支持開發新材料以促進氫氣的生產。
相比傳統的金屬催化劑，半導體材料可以利用更常見且便宜的元素，這是教授 Karoliina Honkala 和高級講師、學術研究員指出的。然而，半導體電極的發展受到其電化學和催化特性尚未得到充分理解的限制。團隊還揭示，半導體材料是氫氣生成的相對少被探索的替代方案。研究人員開發了一種新方法，即恆定內部勢能密度泛函理論，該方法能在半導體電化學的模擬中納入電極電位。
這一方法是兩年前開發的，為半導體電極的建模開辟了新可能性，來自瓦斯庫拉大學的 Marko Melander 表示。現在的研究將這種方法應用於TiO2半導體電極的氫氣生成反應研究。我們的模擬顯示了如何以及為什麼改變電極電位可以促進TiO2的氫氣生成。根據與合作夥伴的計算，我們預測在TiO2表面形成的局部電荷中心（極化子）會催化氫氣的生成。
實驗測試和計算結果的驗證是一項重大挑戰，需要應用高度先進的實驗方法。例如，最新的光電化學拉曼測量、原位電子共振光譜和運行中的光電子光譜等技術被用來驗證計算結果，根據新聞稿所述。Honkala解釋道，合作夥伴進行的實驗極具挑戰性且耗時。然而，這些實驗直接展示並確認了改變電極電位可以在TiO2表面創造極化子，這些電荷中心驅動了TiO2電極上的氫氣生成反應，並可能也在其他半導體上發生。
研究團隊還發現，電極電位控制的極化子形成在電化學中是一種先前未被發現的現象，並且這一現象並不會在傳統金屬電極上發生。這一現象被認為可以在未來的催化劑設計和材料開發中得到利用。Honkala 和 Melander 預測，我們發現極化子的形成使得半導體電極能夠避免所謂的比例關係。這些比例關係在金屬電極上會限制和約束可達到的催化活性。潛在依賴的極化子形成的發現，可能會引領新方法來避免比例關係，從而改進催化劑的設計。
