Piezoelektrisk-forstærkede p-n-kryds i fotoelektrokemiske systemer

Fotoelektrokemisk (PEC) vandopdeling er en potentielt mulig strategi til at omdanne solenergi til grøn brint. Men nuværende PEC-systemer lider af relativt lav ladningsseparationseffektivitet og træg vandoxidationsreaktion, som forhindrer dem i at opfylde behovene ved praktiske anvendelser. Den største flaskehals som at opnå effektiv rumlig ladningsadskillelse, hvilket er afgørende for at opnå effektiv sol-til-brint-konvertering.

Heterojunction engineering er en af ​​de mest lovende metoder til rumlig ladningsadskillelse, men alligevel forbliver bærerseparationseffektiviteten af ​​heterojunction begrænset på grund af energibåndtilpasning eller grænseflade- og strukturel kompatibilitet mellem forskellige halvledere. I mellemtiden har konstruktionen af ​​p-n-homojunction ved fint at kontrollere dopingmiddel eller defekt i halvledere vist sig at være mulig, men det fænomen, der neutraliserer det elektriske grænsefladefelt gennem hurtig akkumulering af bærere under overførselsprocessen, er stort set ubetydeligt.

Til det formål har et team af forskere fra School of Chemical Engineering and Technology ved Tianjin University designet en unik n-TiO₂ /BaTiO₃ /p-TiO₂ heterojunction, der kobles med piezoelektrisk effekt og p-n-forbindelser for at overvinde ladningsadskillelsen og overførselsbegrænsningen af ​​p-n-forbindelsen.

"I vores designede heterojunction, den ferroelektriske BaTiO₃ laget er mellem n-TiO₂ med ilt ledige pladser og p-TiO₂ med titanium ledige stillinger," deler Minhua Ai, hovedforfatter af undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Green Energy &Environment . "Som følge heraf opnår TBT3 en fremtrædende fotostrømtæthed, som er 2,4- og 1,5 gange højere end TiO₂ og TiO₂ –BaTiO₃ henholdsvis heterojunction."

Navnlig drevet af mekanisk deformation kan et stabilt polariseret elektrisk felt dannet i ferroelektrisk BaTiO3 yderligere regulere indbyggede elektriske felter baseret på omfattende karakteriseringer af ladningsbærers adfærd i en sådan multi-heterojunction. Og n-TiO₂ /BaTiO₃ /p-TiO₂ heterojunction opnå piezoelektrisk forbedret PEC-ydelse (2,84 gange højere end TiO₂ ved 1,23 V vs. RHE).

"Baseret på koblingen med piezoelektrisk effekt og p-n-kryds, giver vores arbejde en piezoelektrisk polariseringsstrategi til modulering af det indbyggede elektriske felt af heterojunction til forbedring af ladningsadskillelse," tilføjer senior og tilsvarende forfatter Lun Pan.

Flere oplysninger: Minhua Ai et al., Piezoelektrisk-forstærket n-TiO2/BaTiO3/p-TiO2-heterojunction for højeffektiv fotoelektrokatalyse, Grøn energi og miljø (2023). DOI:10.1016/j.gee.2023.12.001

Leveret af KeAi Communications Co.