Wismutvanadat verbessert solare Wasserspaltung

Nanoporöse BiVO4-Photoanoden mit zweilagigen Sauerstoff-Entwicklungskatalysatoren

In der Theorie sollte Wismutvanadat aufgrund seines Lichtabsorptionsspektrums eine effektive Photoanode für die solare Wasserspaltung sein. In früheren Studien hatten jedoch nur wenige der bei der Photoanregung erzeugten “Löcher” lange genug Bestand, um Elektronen aus dem Wasser zu entfernen. Tae Woo Kim und Choi Kyoung-Shin von der Universität Wisconsin–Madison (Science, Band 343, Ausgabe 617 990, veröffentlicht am 13.02.2019) zeigten nun, dass die Verwendung einer hydrophoben Vanadiumquelle in der Halbleitersynthese zu einer oberflächennahen Morphologie mit wesentlich längeren Lochlebensdauern führt. Die Abscheidung von zwei aufeinanderfolgenden Katalysatorschichten erhöhte den Anteil der Löcher, die an der Oberfläche mit Wasser reagierten, und erhöhte damit die Effizienz der Sauerstoffevolutionsreaktion.

Parallel publizierten Forscher aus Nanjing (China) und Seoul (Südkorea) in Nature Communications (Kan Zhang, Haibo Zeng et al.) eine Arbeit, die untersucht, ob für eine hocheffiziente solargestützte Wasserspaltung die maßgeschneiderte Integration sogenannter Sauerstoffevolution-Ko-Katalysatoren (OECs) mit Photoanoden ein plausibler Weg ist. In der Zeitschrift Nature beleuchten sie das Design von auf schwarzem Phosphor basierten Geräten für die Anwendung in der Solar-Kraftstoff-Umwandlung und schlagen auch eine vielversprechende Verbindung zwischen Halbleiter und Elektrokatalysator vor.

In dem Artikel zeigen sie, dass eine  zwischen OEC und BiVO4 eingefügte schwarze Phosphoren(BP)-Schicht die photoelektrochemische Leistung von voroptimierten OEC/BiVO4 (OEC: NiOOH, MnOx und CoOOH / Wismutvanadat, Wismut- oder Vanadiumgelb)-Systemen um das 1.2~1.6-fache verbessern kann, während die OEC-Überschicht wiederum die BP-Selbstoxidation unterdrücken kann, um eine hohe Haltbarkeit zu erreichen. Eine Photostromdichte von 4,48 mA/cm² bei 1,23 V vs. reversible Wasserstoffelektrode (RHE) wird durch die NiOOH/BP/BiVO4-Photoanode erreicht. Es wird festgestellt, dass der intrinsische p-Typ Schwarzer Phosphor die Löcherextraktion aus BiVO4 verstärken und die Lebensdauer der Löcher auf der BiVO4-Oberfläche verlängern kann.

Ergebnisse

Eine Schicht aus BP-Nanoplatten kann als ausgezeichnete Loch-Extraktionsschicht in einer BiVO4/OEC-Photoanode zur solaren Wasserspaltung dienen. Die BP-Nanoblätter, die von geschichtetem Messen-Schwarzphosphor befreit wurden, hatten den einzigartigen Vorteil der p-artigen Leitfähigkeit und ermöglichten so die Bildung eines p/n-Heteroübergangs mit BiVO4, der den Lochtransfer von BiVO4 auf die OEC-Oberfläche ermöglichte. Infolgedessen wies die NiOOH/BP/BiVO4-Photoanode eine Photostromdichte von 4,48 mA-cm-2 bei 1,23 V vs. RHE bei AM 1,5 Beleuchtung auf, die 4,2 mal höher war als die von reinem BiVO4 und 1,5 mal höher als die von NiOOH/BiVO4. Die BP-Schicht wurde gefunden, um getrennte Löcher zu speichern und sie dann auf die OEC-Oberfläche zu übertragen, und diese beeindruckende Funktion war universell für andere OECs, wie CoOOH und MnOx. Darüber hinaus hat das Abdecken der BP-Nanoplatten durch die OEC-Schicht die Selbstoxidation gelindert und damit die Stabilität der photoelektrochemischen Wasserspaltung durch BiVO4 verlängert. Die Arbeit zeigt das Potenzial für die Anwendung von Schwarzem Phosphor in Solaranlagen, dennoch ist eine gleichmäßige Beschichtung von Schwarzem Phosphor auf Photoanoden mit stark gekoppelter Schnittstelle zur weiteren Optimierung noch erwünscht.

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