Fotoelektrokimyasal su bölme için BiVO4 fotoanotları ve CuBi2O4 fotokatotlarında yüzey durumlarının rolleri üzerine araştırmalar

İklim değişikliği, gezegenimiz üzerinde yıkıcı bir etkisi olan endişe verici bir konudur. Özellikle fosil yakıtların kullanımının yaygınlaşmasından kaynaklanan CO2 gazı emisyonları küresel ısınmada büyük rol oynamaktadır. Fosil yakıtları hayatımızdan çıkarmak için sürekli artan enerji talebini karşılamak için alternatif enerji kaynaklarına ihtiyaç vardır. Hidrojen, kullanım üzerine sıfır karbon emisyonu ve son derece yüksek gravimetrik enerji yoğunluğu nedeniyle en umut verici yeşil enerji taşıyıcılarından biridir. Fotoelektrokimyasal su ayırma, doğrudan su ve güneş ışığından yeşil hidrojen elde etmek için umut verici bir yoldur. Fotoelektrot olarak kullanılan oksit yarı iletkenleri, sulu elektrolitlerde ışık absorpsiyonu ve stabilitesi açısından önemli bir potansiyel sunar, ancak zayıf yüzey aktiviteleri ve etkisiz yük taşıyıcı kullanım özellikleri, yaygın kullanımlarını engellemektedir. Bu zayıf faaliyetlerin kökenini anlamak, fotoelektrotların performansındaki darboğazı ortadan kaldırmak için çok önemlidir. Su oksidasyon reaksiyonu için en umut verici malzemelerden biri olan BiVO4 fotoanotları, aktivitelerini sınırlayan yük taşıyıcıların yoğun yüzey rekombinasyonundan muzdariptir. Bununla birlikte, rekombinasyon dinamikleri karmaşıktır ve yığın ve yüzey bölgelerinde meydana gelen rekombinasyonun ayrıntılı mekanizmaları tipik olarak ele alınmaz. Bu çalışmanın ilk bölümünde, elektrokimyasal depozisyon yöntemi kullanılarak yüksek yüzey alanına sahip BiVO4 fotoanotları sentezlenmiştir. BiVO4 fotoanotunun su oksidasyon aktivitesinin, atomik katman biriktirme (ALD) ile hazırlanan TiO2 üst katmanı tarafından önemli ölçüde artırıldığını gösterdik. Optimize edilmiş bir kalınlığa sahip bir TiO2 üst katmanı ile 1,23 VRHE'deki fotoakım, ön aydınlatma altında 0,64'ten 1,1 mA.cm-2'ye yükselerek %72'lik bir iyileştirmeye karşılık gelir. Bu önemli gelişmeyi, gelişmiş yük ayrımına ve yüzey durumu pasivasyonu nedeniyle yüzey rekombinasyonunun bastırılmasına bağlıyoruz. TiO2 üst katmanının BiVO4 yüzeyinde fotojenere elektron yakalama sürecini önemli ölçüde azalttığına dair geçici fotoakım (GFA) ölçümleri yoluyla doğrudan kanıt sağlıyoruz. Elektron yakalama pasifleştirme, arka aydınlatmadan ziyade ön aydınlatma altında daha yüksek fotoakım geliştirme ile sonuçlanan gelişmiş elektron fotoiletkenliğine yol açar. Elektron yakalama işlemi, daha yüksek TiO2 üst katman kalınlıklarında tamamen ortadan kaldırılsa da, yüzeydeki yük transfer direnci de önemli ölçüde artar, bu da foto akımın azalmasına neden olur. Ultra ince TiO2 üst tabakasının BiVO4'ün yüzey özelliklerine ince ayar yapabiliyor olduğunu gösteriyoruz. CuBi2O4, düşük bant aralığı ve yüksek düz bant potansiyeli nedeniyle suyun indirgenme reaksiyonu için en umut verici fotokatotlardan biridir. Bununla birlikte, BiVO4 ile karşılaştırıldığında, çok daha az çalışılmıştır, bu nedenle yük taşıyıcı dinamiklerinin rolleri henüz tam olarak anlaşılmamıştır. Bu çalışmanın ikinci bölümünde, elektrokimyasal depozisyon yöntemi ile CuBi2O4 fotokatotları sentezledik. Sentezlenen fotokatot filmler XPS, XRD, FESEM, UV-NIR absorpsiyonu ve Raman spektroskopisi ile karakterize edildi. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve TPC ölçümlerini kullanarak, yüzey durumlarının varlığını ve bu durumlarda fotojenere elektron yakalama sürecini belirledik. Sonuçlar, düz bant potansiyeline yakın yüzey durumlarının, fotoakım 1,4 VRHE kadar erken gözlemlenmesine rağmen, fotoakım başlangıcında 0,9 VRHE -1,0 VRHE'ye gecikmeyle sonuçlanan, fotojenere elektron tuzakları gibi davrandığını göstermektedir. TiO2 üst tabakası, yüzeydeki yük taşıyıcı dinamiklerini ayarlamak ve elektron yakalama sürecini engellemek için farklı kalınlıklarda ALD aracılığıyla CuBi2O4 yüzeyinde büyütüldü. Bununla birlikte, düşük TiO2 üst tabakası kaplaması ile bile, CuBi2O4 aktivitesi önemli ölçüde azaldı. Ayrıca, fotokatodun stabilitesi için zararlı olan önemli fotokorozyon tespit ettik. Bu sonuçlar, arayüzey dinamiklerinin CuBi2O4 foto katot aktivitesi ve stabilitesi için önemli olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, CuBi2O4'ün performansını iyileştirmek için elektron yakalama sürecini pasifleştirmek için yüzey yükü taşıyıcı dinamiklerinin ayarlanması gerekir.