Fotoelektrokimyasal suyu ayrıştırma tepkimesinin BiVO4-bazlı fotoanotlar üzerinde incelenmesi

Fotoelektrokimyasal (PEC) hücreler, suyu H2 ve O2'ye ayrıştırmak suretiyle güneş enerjisini kimyasal enerjiye çeviren cihazlardır. Güneş enerjili su ayrışması sırasında (foto) anot üzerinde oksijen evrimi reaksiyonu (OER) gerçekleşir ve (foto) katot üzerinde hidrojen açığa çıkarma reaksiyonu (HER) gerçekleşir. Oksijen evrimi reaksiyonundaki fotoanotların zayıf aktivitesi, PEC sistemlerinin yaygın kullanımında bir sınırlayıcı faktördür. Diğer bir faktör ise yük taşıyıcıların verimsiz kullanımıdır. Bu nedenle, daha işlevsel fotoanotlara için etkin foto emici materyallere ihtiyaç duyulmaktadır. OER'in verimliliğini, HER'in verimliliğinin seviyesine çekebilmek için oksijeni evrimleştirme yeteneğine sahip oksit yarı iletken ışık soğuran malzemeler sıklıkla kullanılır. Görünür ışık spektrumunda uygun ışık soğurma özelliklerine, iyi katalitik özelliklere, yeterli elektron / boşluk hareketliliği ve yük taşıyıcı ömrüne, yüksek kimyasal kararlılığa ve düşük maliyetli fotoanotlar PEC cihazlarının etkili kullanımı için gereklidir. Bir n-tipi yarı iletken olan bizmut vanadat (BiVO4), diğer metal oksit yarı iletken fotoanotlara göre nispeten dar bant boşluğu (Eg = 2.4 eV) ve uygun bant sınırları nedeniyle su ayırma reaksiyonlarında fotoanot olarak kullanımı için çok dikkat çekmiştir. OER potansiyelleri ile ilgili pozisyonlar. BiVO4 tabanlı fotoanotlardan elde edilen daha yüksek PEC aktiviteleri, morfoloji kontrolü, doping ve oksijen evrim kinetiklerini kolaylaştıran yardımcı katalizör ilavesi ile elde edilebilir. Bu çalışmada, BiVO4 fotoanode filmleri hidrotermal sentez yöntemi ile hazırlanmıştır. FTO kaplamalı cam substratlar üzerinde doğrudan büyütme ve üzerine toz birikimi arasında metodolojileri, doğrudan büyütme en iyi yaklaşım olarak bulunmuştur. Su oksidasyon kinetiklerini geliştirmek için tungsten (W) katkısı kullanıldı ve en iyi aktivite 2.0at% W-katkılı BiVO4 örneklerinden elde edildi. Daha fazla iyileştirme için, iridyum oksit (IrOx) yardımcı katalizörü, su ve ozon oksitleyicileri ile ALD yöntemi kullanılarak fotoanotlara yüklenmiştir. En iyi su oksidasyon aktivitesi, simüle edilmiş güneş ışığı aydınlatması altında 1.23 mA / cm2'de 1.23 V'de RHE'ye karşı oksijen akışı altında suyla oksitlenmiş IrOx yüklü (30 ALD döngüsü) BiVO4'ten ısıl işlemden sonra elde edilmiştir. Hidrotermal reaksiyon süresi ve hidrotermal sıcaklığın etkisi de araştırılmış ve BiVO4 fotoanotlanndan en iyi fotokatalitik performansları elde etmek için 180 ° C'de 2 saat reaksiyon süresine sahip olacak şekilde optimize edilmiştir. Kristalinite ve morfolojinin farklı sürfaktan kullanımı ile modifiye edilebileceği bulunmuştur. Morfoloji dağılımı ve kristallikte artan homojenliğin, BiVO4 fotoanotları için foto akımlarını iyileştirmediği gösterilmiştir.