Forskerhold udvikler ny højtydende fotoelektrode, der bruger zinkoxid nanopagoda-array

Et forskerhold bestående af medlemmer af Egyptian Petroleum Research Institute og Functional Materials Engineering Laboratory ved Toyohashi University of Technology har udviklet en ny højtydende fotoelektrode ved at konstruere en zinkoxid-nanopagoda-array med en unik form på en gennemsigtig elektrode og påføre sølv nanopartikler til dens overflade.

Zinkoxid-nanopagoden er kendetegnet ved at have mange trinstrukturer, da den består af stakke af forskellig størrelse sekskantede prismer. Derudover udviser den meget få krystalfejl og fremragende elektronledningsevne. Ved at dekorere dens overflade med sølv nanopartikler, opnår zinkoxid-nanopagoda-array-fotoelektroden synlige lysabsorptionsegenskaber, hvilket gør den i stand til at fungere under sollys.

Fotoelektrokemisk vandspaltning ved hjælp af sollys forventes at blive brugt som en teknologi til at producere ren energi i form af brint. Som nøglematerialer til denne teknologi skal fotoelektroder have lavt overpotentiale mod vandspaltningsreaktioner ud over høj solabsorption og ladningsoverførselseffektivitet.

For praktisk anvendelighed kan denne teknologi ikke bruge sjældne metaller som primære materialer, og fremstillingsprocessen skal industrialiseres; dog er der endnu ikke udviklet materialer, der opfylder disse krav.

Derfor fokuserede forskerholdet udelukkende på zinkoxid-nanopagoda-arrayet, da sådanne arrays er billige at producere, har høj elektronledningsevne og ikke er sårbare over for udtømning af råmaterialer. Oprindeligt blev zinkoxid nanopagoda-arrays anset for vanskelige at fremstille med god reproducerbarhed.

Ledet af Marwa Abouela - en ph.d.-studerende på tredje år, som også er hovedforfatter på papiret udgivet i Electrochemistry Communications -teamet optimerede først synteseprocessen for at sikre høj reproducerbarhed. Når de fotoelektrokemiske egenskaber af den opnåede fotoelektrode blev evalueret, blev der observeret en relativt stor fotostrøm at fremkomme under pseudo-solbestråling.

Ud over den høje ladningsoverførselseffektivitet forbundet med lav defekttæthed og høj overfladekemisk reaktionsaktivitet i mange trin, har en elektromagnetisk feltanalyse afsløret, at nanopagodens unikke nanostruktur effektivt kan fange ultraviolette stråler indeholdt i det indfaldende lys.

For at sikre effektiv udnyttelse af synligt lys, som tegner sig for 55 % af sollys, forbedrede forskerholdet de fotoelektrokemiske egenskaber yderligere ved at dekorere zinkoxidnanopagodens overflade med sølvnanopartikler, der udviser lokaliseret overfladeplasmonresonans, hvilket øger fotostrømmen med ca. 1,5 gange .

Virkningsspektret af fotostrømværdien indikerer, at denne forbedring primært tilskrives den varme elektronoverførsel forårsaget af absorption af synligt lys af den lokaliserede overfladeplasmonresonans af sølvnanopartikler. Ved at optimere anvendelsen af ​​sølvnanopartikler blev det muligt kun at forbedre de fotoelektrokemiske egenskaber og samtidig forhindre negative virkninger på egenskaberne af selve nanopagoden.

Lektor Go Kawamura, en af ​​de tilsvarende forfattere, sagde:"Zinkoxid-nanopagoder blev overvejet kun til anvendelse på elektronkanonemittere, idet de udnyttede deres høje ladningsoverførselseffektivitet. Men fordi strukturen har mange trin, var vores oprindelige idé, at det er meget aktiv mod overfladekemiske reaktioner og kan være egnet til at katalysere fotoelektrokemiske reaktioner."

"Efter at have haft succes med at fremstille nanopagoden, sigtede vi på at forbedre effektiviteten af ​​sollysudnyttelsen ved at anvende sølvnanopartikler, der udviser lokaliseret overfladeplasmonresonans, og evaluerede effekten ved elektromagnetisk feltanalyse; det viste sig dog, at zinkoxidnanopagoden fanger indfaldende lys , især ultraviolette stråler, ind i dets indre Selvom dette var helt uventet, var det en heldig opdagelse, da denne egenskab bidrager til forbedringen af ​​fotoelektrokemiske egenskaber."

Fremtidsudsigt

I øjeblikket leder Marwa og studerende fra det samme laboratorium en undersøgelse af virkningen af ​​præcis strukturel kontrol af zinkoxid-nanopagoder, såvel som overfladedekoration med andre materialer, på de fotoelektrokemiske egenskaber af nævnte pagoder. Fordi zinkoxid er tilbøjelig til fotokorrosion, kan det ikke modstå langvarig sollys i sig selv, hvilket får os til at fokusere på at forbedre holdbarheden via overfladedekoration.

Efter at have opnået både høje fotoelektrokemiske egenskaber og holdbarhed, planlægger holdet at udføre vandspaltende brintproduktion i et virkeligt miljø (nedbrydning af flodvand eller havvand ved sollys).

Flere oplysninger: Marwa Mohamed Abouela et al., Ag nanopartikler dekorerede ZnO nanopagoder til fotoelektrokemisk anvendelse, Electrochemistry Communications (2023). DOI:10.1016/j.elecom.2023.107645

Journaloplysninger: Elektrokemikommunikation

Leveret af Toyohashi University of Technology