Groovy fotoelektroder:Hvordan en tekstureret overflade dramatisk kan øge ydeevnen

I den nuværende sammenhæng vedrørende CO ₂ niveauer og bæredygtighedsspørgsmål, søgen efter effektive og rene alternativer til energiproduktion fortsætter. Blandt de mest attraktive miljøvenlige brændstoffer kendt, brint skiller sig ud, og der er et stort potentiale for dets anvendelse. Men forskerne mangler endnu at finde frem til en omkostningseffektiv og skalerbar metode til at producere store mængder brint, og en brintøkonomi er stadig ikke i kortene.

For eksempel, brint kan fremstilles af fossile brændstoffer, men processen genererer CO ₂ og er, derfor, ikke bæredygtigt. En miljøvenlig tilgang til fremstilling af brint er vandspaltning:nedbrydning af vandmolekyler (H ₂ O) for at opnå rent hydrogen (H ₂ ). Den energi, som denne proces kræver, kan høstes direkte fra solstråling ved hjælp af fotoelektrokemiske celler. Disse celler er sammensat af to elektroder og et materiale kaldet elektrolytten; egenskaberne for alle tre er skræddersyet til at udløse og favorisere de nødvendige vandspaltningsreaktioner.

En vigtig egenskab, der bestemmer effektiviteten af ​​vandspaltningsreaktionen, er "båndgabet" af fotoelektrodematerialet. Båndgabet er i store træk et mål for den energi, som elektroderne skal modtage, så ladning kan overføres gennem dem, og reaktionen kan forekomme. Fotoelektrodematerialer med moderate båndgab er ønskelige, fordi mindre energi skal opfanges fra solstråling for at forårsage ladningscirkulation. I lyset af dette, siliciumcarbid (SiC) elektroder er blevet undersøgt som en lovende mulighed.

Nu, forskere fra Nagoya Institute of Technology, Japan, har bidraget til en bedre forståelse af disse materialer. "SiC er et af de mest lovende fotoelektrodematerialer på grund af dets holdbarhed. Blandt dets forskellige typer, 3C-SiC kan absorbere en del af synligt lys på grund af dets moderate båndgab og er også i stand til at generere brint, " forklarer Dr. Kato, ledende videnskabsmand i denne undersøgelse offentliggjort i Applied Physics Express. Ikke desto mindre, den observerede ydeevne af eksisterende 3C-SiC-fotoelektroder er stadig lavere end forudsagt gennem teoretiske beregninger.

For at bygge bro over denne kløft og forbedre ydeevnen, forskerne anvendte en tidligere rapporteret tilgang:effektiviteten af ​​fotoelektroder kan forbedres ved at give dem en struktureret struktur. En robust overflade tillader det indfaldende lys at passere gennem materialet flere gange, øge mængden af ​​absorberet sollys.

I dette studie, at gøre 3C-SiC fotoelektrodeoverflader teksturerede, Dr. Kato og hans kollega brugte en teknik kaldet "elektrokemisk ætsning." De sammenlignede derefter de optiske og elektriske egenskaber og ydeevnen af ​​flere fotoelektroder ætset under forskellige forhold. De observerede også alle overflader gennem avancerede mikroskopiteknikker.

De så, at ætsningen fortrinsvis var sket på de eksisterende fejl og dislokationer på materialets overflade. Dens overfladeruhed blev kraftigt forøget (som ønsket), uden dannelse af "punktdefekter" - anomalier i elektrodens basisstruktur.

Dens ydeevne - målt gennem dens foton-til-strøm konverteringseffektivitet under en påført spænding (også kendt som "ABPE" eller "applied bias foton-til-strøm konvertering effektivitet") - viste forbedring. Under optimale betingelser for ætsning og platin cokatalysatoraflejring, ydelsen blev fundet til 2 %. "Denne ABPE-værdi er den hidtil højeste blandt de rapporterede effektiviteter for SiC-fotoelektroder. Vi mener, at vores 3C-SiC-fotoelektrode med en overfladetekstur dannet gennem elektrokemisk ætsning er lovende til sol-til-brint-energikonvertering, " slutter Dr. Kato.

Forskerne siger, at deres ultimative mål er en dag at producere SiC-fotokatoder med sol-til-brint-effektivitet, der kan sammenlignes med andre energikonverteringsteknologier. At realisere denne vision kan være et vigtigt skridt hen imod en mere miljøvenlig brintøkonomi.