Фотоэлектрохимия
Фотоэлектрохимия — раздел физической химии, изучающий взаимодействие света с электрохимическими системами . [1] [2] Это активная область расследования. Одним из пионеров этой области электрохимии был немецкий электрохимик Хайнц Геришер . Интерес к этой области высок в контексте развития возобновляемой энергии технологий преобразования и хранения .
Исторический подход
[ редактировать ]Фотоэлектрохимия интенсивно изучалась в 1970-80-х годах в связи с первым пиком нефтяного кризиса . Поскольку ископаемое топливо невозобновляемо, необходимо разработать процессы получения возобновляемых ресурсов и использования чистой энергии . искусственный фотосинтез , фотоэлектрохимическое расщепление воды и регенеративные солнечные элементы В этом контексте особый интерес представляют . Фотоэлектрический эффект был открыт Александром Эдмоном Беккерелем .
Хайнц Геришер , Х. Трибуч, А.Дж. Нозик, А.Дж. Бард, А. Фудзисима, К. Хонда, П.Е. Лайбинис, К. Раджешвар, Т.Дж. Мейер, П.В. Камат, Н.С. Льюис, Р. Мемминг, Джон Бокрис — исследователи, внесшие большой вклад в область фотоэлектрохимии.
Полупроводниковая электрохимия
[ редактировать ]Введение
[ редактировать ]Полупроводниковые материалы имеют энергетические запрещенные зоны и будут генерировать пару электронов и дырок для каждого поглощенного фотона, если энергия фотона выше энергии запрещенной зоны полупроводника. Это свойство полупроводниковых материалов успешно используется для преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрических устройств .
В фотокатализе пара электрон-дырка немедленно используется для запуска окислительно-восстановительной реакции. Однако электронно-дырочные пары страдают от быстрой рекомбинации. В фотоэлектрокатализе применяется дифференциальный потенциал, чтобы уменьшить количество рекомбинаций между электронами и дырками. Это позволяет увеличить выход преобразования света в химическую энергию.
Интерфейс полупроводник-электролит
[ редактировать ]Когда полупроводник вступает в контакт с жидкостью ( редокс- частицами), для поддержания электростатического равновесия происходит перенос заряда между полупроводником и жидкой фазой, если формальный окислительно-восстановительный потенциал окислительно-восстановительных частиц лежит внутри запрещенной зоны полупроводника. В термодинамическом равновесии уровень Ферми полупроводника и формальный окислительно-восстановительный потенциал окислительно-восстановительных частиц выравниваются на границе раздела между полупроводником и окислительно-восстановительными частицами. Это вызывает изгиб зоны вверх в полупроводнике n-типа для перехода полупроводник/жидкость n-типа (рис. 1(а)) и изгиб зоны вниз в полупроводнике p-типа для перехода полупроводник/жидкость p-типа (рис. 1). (б)). Эта характеристика переходов полупроводник/жидкость аналогична выпрямляющему переходу полупроводник/металл или переходу Шоттки . В идеале, чтобы получить хорошие выпрямляющие характеристики на границе раздела полупроводник/жидкость, формальный окислительно-восстановительный потенциал должен быть близок к валентной зоне полупроводника для полупроводника n-типа. и близок к зоне проводимости полупроводника для полупроводника p-типа. Переход полупроводник/жидкость имеет одно преимущество перед выпрямляющим переходом полупроводник/металл в том, что свет может проходить до поверхности полупроводника без особого отражения; тогда как большая часть света отражается обратно от поверхности металла на переходе полупроводник/металл. Следовательно, переходы полупроводник/жидкость также могут использоваться в качестве фотоэлектрических устройств, аналогично твердотельным устройствам с p – n-переходом . Переходы полупроводник/жидкость как n-типа, так и p-типа могут использоваться в качестве фотоэлектрических устройств для преобразования солнечной энергии в электрическую и называются фотоэлектрохимическими элементами . Кроме того, переход полупроводник/жидкость также можно использовать для прямого преобразования солнечной энергии в химическую энергию посредством фотоэлектролиза на переходе полупроводник/жидкость.
Рисунок 1 (а) зонная диаграмма перехода полупроводник/жидкость n-типа.
Рисунок 1 (б) зонная диаграмма перехода полупроводник/жидкость p-типа.
Экспериментальная установка
[ редактировать ]Полупроводники обычно изучают в фотоэлектрохимической ячейке . Существуют различные конфигурации трехэлектродного устройства. Явление, которое предстоит изучить, происходит на рабочем электроде WE, когда между WE и электродом сравнения RE (насыщенная каломель, Ag/AgCl) прикладывается дифференциальный потенциал. Ток измеряется между WE и противоэлектродом CE (углеродное стекло, платиновая сетка). Рабочий электрод представляет собой полупроводниковый материал, а электролит состоит из растворителя, электролита и окислительно-восстановительного соединения.
Для освещения рабочего электрода обычно используется УФ-лампа. Фотоэлектрохимическая ячейка обычно изготавливается с кварцевым окном, поскольку она не поглощает свет. Монохроматор можно использовать для управления длиной волны, передаваемой на WE.
Основные поглотители, используемые в фотоэлектрохимии
[ редактировать ]Полупроводник IV
[ редактировать ]Полупроводник III-V
[ редактировать ]BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs...
Полупроводник II-VI
[ редактировать ]CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2
Оксиды металлов
[ редактировать ]Органические красители
[ редактировать ]Металлоорганические красители
[ редактировать ]Перовскиты
[ редактировать ]Совсем недавно была разработана масштабируемая фотоэлектрохимическая система PEC на основе перовскита в виде солнечной водородной панели площадью> 123 см2. [3]
Приложения
[ редактировать ]Фотоэлектрохимическое расщепление воды
[ редактировать ]Фотоэлектрохимия интенсивно изучается в области получения водорода из воды и солнечной энергии. Фотоэлектрохимическое расщепление воды было исторически открыто Фудзисимой и Хондой в 1972 году на электродах TiO 2 . В последнее время многие материалы продемонстрировали многообещающие свойства эффективного расщепления воды, но TiO 2 остается дешевым, доступным и устойчивым к фотокоррозии. Основной проблемой TiO 2 является ширина запрещенной зоны, которая составляет 3 или 3,2 эВ в зависимости от его кристалличности (анатаз или рутил). Эти значения слишком высоки, и поглощается только длина волны в УФ-диапазоне. Чтобы повысить эффективность этого материала по расщеплению воды с помощью солнечной длины волны, необходимо сенсибилизировать TiO 2 . В настоящее время сенсибилизация квантовыми точками является очень многообещающей, но необходимы дополнительные исследования, чтобы найти новые материалы, способные эффективно поглощать свет.
Фотоэлектрохимическое восстановление углекислого газа
[ редактировать ]Фотосинтез — это естественный процесс, который преобразует CO 2 с помощью света в производство углеводородных соединений, таких как сахар. Истощение запасов ископаемого топлива побуждает ученых искать альтернативы производству углеводородных соединений. Искусственный фотосинтез — многообещающий метод, имитирующий естественный фотосинтез, для производства таких соединений. Фотоэлектрохимическое восстановление CO 2 широко изучено из-за его влияния во всем мире. Многие исследователи стремятся найти новые полупроводники для разработки стабильных и эффективных фотоанодов и фотокатодов.
Регенеративные элементы или сенсибилизированные красителем солнечные элементы (элементы Гретцеля)
[ редактировать ]Сенсибилизированные красителями солнечные элементы или DSSC используют TiO 2 и красители для поглощения света. Это поглощение вызывает образование электронно-дырочных пар, которые используются для окисления и восстановления одной и той же окислительно-восстановительной пары, обычно I. − /Я 3 − . Следовательно, создается дифференциальный потенциал, который индуцирует ток.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Сборник химической терминологии» . ИЮПАК . дои : 10.1351/goldbook.P04607 .
- ^ «Энциклопедия электрохимии» .
- ^ Хансора, Дхармеш (23 января 2024 г.). «Автоматическая фотоэлектрохимическая система разделения воды на основе перовскита для эффективного, стабильного и масштабируемого производства солнечного водорода». Энергия природы . 9 (3): 272–284. Бибкод : 2024NatEn...9..272H . дои : 10.1038/s41560-023-01438-x . ISSN 2058-7546 . S2CID 267219936 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Полный обзор фотоэлектрохимии полупроводников.
- Обзор фотоэлектрохимии полупроводников. Архивировано 28 июня 2011 г. на Wayback Machine.
- Энциклопедия электрохимии в веб-архивах Библиотеки Конгресса (архивировано 25 ноября 2001 г.)
Отрасли химии | |
|---|---|
| Аналитический | |
| Теоретический | |
| Физический | |
| Неорганический | |
| Органический | |
| Биологический | |
| Междисциплинарность | |
| См. также | |
