Фотоэлектрохимия - Photoelectrochemistry

Фотоэлектрохимия Подполя исследования в физическая химия озабочены взаимодействием света с электрохимические системы.[1][2] Это активная область исследования. Одним из пионеров этой области электрохимии был немецкий электрохимик. Хайнц Геришер. Интерес к этой области высок в контексте развития технологий преобразования и хранения возобновляемой энергии.

Исторический подход

Фотоэлектрохимия интенсивно изучалась в 70-80-е годы из-за первого пика нефтяного кризиса. Поскольку ископаемое топливо невозобновляемое, необходимо разработать процессы для получения возобновляемых ресурсов и использования чистой энергии. В этом контексте особый интерес представляют искусственный фотосинтез, фотоэлектрохимическое расщепление воды и регенеративные солнечные элементы. Открыл Александр Эдмунд Беккерель.

Х. Геришер, Х. Трибуч, AJ. Нозик, AJ. Бард, А. Фудзисима, К. Хонда, ЧП. Laibinis, K. Rajeshwar, TJ Meyer, PV. Камат, Н. Льюис, Р. Мемминг, JOM. Бокри - исследователи, внесшие большой вклад в область фотоэлектрохимии.

Электрохимия полупроводников

Вступление

Полупроводник материалы обладают энергией запрещенные зоны, и будет генерировать пару электронов и дырок для каждого поглощенного фотон если энергия фотона больше, чем энергия запрещенной зоны полупроводника. Это свойство полупроводниковых материалов успешно используется для преобразования солнечной энергии в электроэнергия к фотоэлектрические устройства.

В фотокатализе электронно-дырочная пара немедленно используется для запуска окислительно-восстановительной реакции. Однако электронно-дырочные пары страдают от быстрой рекомбинации. В фотоэлектрокатализе применяется дифференциальный потенциал, чтобы уменьшить количество рекомбинаций между электронами и дырками. Это позволяет увеличить выход света, преобразующего химическую энергию.

Интерфейс полупроводник-электролит

При контакте полупроводника с жидкостью (редокс частиц), чтобы поддерживать электростатическое равновесие, будет происходить перенос заряда между полупроводником и жидкой фазой, если формальный окислительно-восстановительный потенциал редокс-частиц находится внутри запрещенной зоны полупроводника. При термодинамическом равновесии Уровень Ферми полупроводника и формальный окислительно-восстановительный потенциал окислительно-восстановительных частиц выравниваются на границе раздела между полупроводниками и окислительно-восстановительными компонентами. Это вводит восходящий изгиб ленты в полупроводник n-типа для перехода полупроводник / жидкость n-типа (Рисунок 1 (а)) и изгиба полосы вниз в полупроводник p-типа для перехода полупроводник / жидкость p-типа (рис. 1 (б)). Эта характеристика переходов полупроводник / жидкость аналогична выпрямляющему переходу полупроводник / металл или Перекресток Шоттки. В идеале, чтобы получить хороший ректификационные характеристики на границе полупроводник / жидкость формальный окислительно-восстановительный потенциал должен быть близок к валентной зоне полупроводника для полупроводник n-типа и близко к зоне проводимости полупроводника для полупроводника p-типа. Переход полупроводник / жидкость имеет одно преимущество перед выпрямляющим переходом полупроводник / металл в том, что свет может проходить через поверхность полупроводника без значительного отражения; тогда как большая часть света отражается обратно от металлической поверхности на переходе полупроводник / металл. Следовательно, переходы полупроводник / жидкость также могут использоваться в качестве фотоэлектрические устройства похож на твердотельный p – n переход устройств. Переходы полупроводник / жидкость n-типа и p-типа могут использоваться в качестве фотоэлектрических устройств для преобразования солнечной энергии в электрическую и называются фотоэлектрохимические ячейки. Кроме того, переход полупроводник / жидкость также может использоваться для прямого преобразования солнечной энергии в химическая энергия в силу фотоэлектролиз на переходе полупроводник / жидкость.

  • Рисунок 1 (а) ленточная диаграмма перехода полупроводник / жидкость n-типа

  • Рисунок 1 (b) зонная диаграмма перехода полупроводник / жидкость p-типа

Экспериментальная установка

Полупроводники обычно изучаются в фотоэлектрохимическая ячейка. Существуют разные конфигурации с трехэлектродным устройством. Явление для изучения происходит на рабочем электроде WE, когда между WE и электродом сравнения RE (насыщенная каломель, Ag / AgCl) приложен дифференциальный потенциал. Ток измеряется между WE и противоэлектродом CE (стекловидный углерод, платиновая сетка). Рабочий электрод представляет собой полупроводниковый материал, а электролит состоит из растворителя, электролита и редокс-частиц.

Для освещения рабочего электрода обычно используют УФ-видимую лампу. Фотоэлектрохимический элемент обычно изготавливается с кварцевым окном, поскольку он не поглощает свет. Монохроматор может использоваться для управления длиной волны, отправляемой в WE.

Основные поглотители, используемые в фотоэлектрохимии

Полупроводник IV

C (алмаз), Si, Ge, SiC, SiGe

Полупроводник III-V

BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs ...

Полупроводник II-VI

CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2

Оксиды металлов

TiO2, Fe2О3, Cu2О

Органические красители

Метиленовый синий ...

Металлоорганические красители

Перовскиты

Приложения

Фотоэлектрохимическое расщепление воды

Фотоэлектрохимия интенсивно изучалась в области производство водорода от воды и солнечной энергии. Фотоэлектрохимическое расщепление воды исторически было обнаружено Фудзисимой и Хондой в 1972 году на TiO.2 электроды. В последнее время многие материалы показали многообещающие свойства эффективно расщеплять воду, но TiO2 остается дешевым, обильным, устойчивым к фотокоррозии. Основная проблема TiO2 ширина запрещенной зоны составляет 3 или 3,2 эВ в зависимости от кристалличности (анатаз или рутил). Эти значения слишком высоки, и может поглощаться только длина волны в УФ-диапазоне. Чтобы улучшить характеристики этого материала по расщеплению воды с длиной волны солнечного света, необходимо повысить чувствительность TiO2.2. В настоящее время сенсибилизация с помощью квантовых точек является очень многообещающей, но необходимы дополнительные исследования, чтобы найти новые материалы, способные эффективно поглощать свет.

Искусственный фотосинтез

Фотосинтез является естественным процессом, преобразующим CO2 использование света для производства углеводородных соединений, таких как сахар. Истощение запасов ископаемого топлива побуждает ученых искать альтернативы производству углеводородных соединений. Искусственный фотосинтез является многообещающим методом, имитирующим естественный фотосинтез для производства таких соединений. В фотоэлектрохимическое восстановление CO2 широко изучается из-за его всемирного влияния. Многие исследователи стремятся найти новые полупроводники для разработки стабильных и эффективных фотоанодов и фотокатодов.

Регенеративные элементы или сенсибилизированные красителем солнечные элементы (ячейка Гретцеля)

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы или DSSC используют TiO2 и красители для поглощения света. Это поглощение вызывает образование электронно-дырочных пар, которые используются для окисления и восстановления одной и той же окислительно-восстановительной пары, обычно I−/Я3−. Следовательно, создается дифференциальный потенциал, который индуцирует ток.

Рекомендации

  1. ^ Сборник химической терминологии ИЮПАК
  2. ^ Энциклопедия электрохимии

внешняя ссылка