Ein Compendium und eine Metaanalyse der Flatband-Potenziale für TiO2-, ZnO- und SnO2-Halbleiter in wässrigen Medien

Halbleiter-/Elektrolyt-Schnittstellen sind für zahlreiche wissenschaftliche Bereiche von großem Interesse, darunter erneuerbare Energien, (Foto)elektrochemie und Energiespeicherung. Das Flatband-Potential des Halbleiters ist ein wichtiger Parameter zur Bestimmung des Minimums des Leitungsbandes oder des Maximums des Valenzbandes des Halbleitermaterials im Elektrolyt. Trotz seiner Bedeutung zur Quantifizierung des energetischen Standorts der Halbleiterbänder zeigen Literaturberichte für dasselbe Material eine erhebliche Variabilität im Flatband-Potential. In diesem Compendium und dieser Metaanalyse wurden die berichteten Flatband-Potenziale der gängigen Halbleitermaterialien TiO2, SnO2 und ZnO in wässrigem Elektrolyt zusammengestellt und bewertet, um die Streuung in den Literaturwerten der Flatband-Potenziale zu quantifizieren sowie die Faktoren zu ermitteln, die zu dieser signifikanten Streuung führen. Für TiO2, SnO2 und ZnO werden die in der Literatur angegebenen Flatband-Potenziale, die auf die reversible Wasserstoffelektrode bezogen sind, in einem Bereich von nahezu 2 V angegeben. Die Flatband-Potentialtabellen wurden nach Variablen wie dem pH-Wert der Lösung, dem kristallinen Polymorph, der Kristalloberfläche, der Morphologie sowie den Abmessungen oder Kombinationen dieser Variablen getrennt, um die Faktoren zu bewerten, die zur beobachteten Streuung beitragen. Wichtige und überraschende Erkenntnisse aus diesen Kategorisierungen sind zusammengefasst: (1) Selbst bei den engsten Kategorisierungen ist die Streuung des Flatband-Potentials immer noch groß. (2) Die Flatband-Potenziale von TiO2 und SnO2 folgen der erwarteten Nernstschen Abhängigkeit vom pH-Wert der Lösung. ZnO-Materialien weichen von dieser Nernstschen Abhängigkeit ab. (3) In der Gesamtheit gibt es keinen statistisch signifikanten Unterschied zwischen den berichteten Flatband-Potenzialen von Anatas und Rutil TiO2. Ein-Kristall-Tabellen waren die einzigen Verteilungen, die statistisch signifikante Unterschiede im Flatband-Potential zwischen Anatas und Rutil TiO2 aufwiesen. (4) Anatas TiO2-Materialien mit einer Nanoröhren-Morphologie scheinen einen Unterschied von +400 mV im durchschnittlichen Flatband-Potential im Vergleich zu allen anderen Morphologien aufzuweisen, aber wir argumentieren, dass dies wahrscheinlich auf einen weitverbreiteten Missbrauch der Mott-Schottky-Analyse zurückzuführen ist. Weitere interessante Erkenntnisse werden innerhalb der Streuung der Literatur-Flatband-Potentiale offengelegt, und mögliche Erklärungen werden bereitgestellt, um Diskussionen zu generieren. Wir überprüfen und diskutieren auch kurz gängige Techniken, die zur Bestimmung des Flatband-Potentials verwendet wurden, sowie die Fallstricke/Kritiken dieser Techniken. Schließlich diskutieren wir einige Möglichkeiten, wie künftige Forschungen zur Bestimmung des Flatband-Potentials durchgeführt werden können, um die Zuverlässigkeit der berichteten Werte und die Qualität der Arbeit zu verbessern. Insgesamt deuten die Ergebnisse dieser Metaanalyse darauf hin, dass mehrere Faktoren das gemessene Flatband-Potential beeinflussen können und dass bei dem Versuch, das Flatband-Potential komplexer oder nanostrukturierter Systeme zu quantifizieren, eine große Vorsicht walten sollte.