水和性有機物による安定した太陽熱水の分解

Jun 07, 2024

Nature Communications volume 13、記事番号: 4460 (2022) この記事を引用

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保護層は、Si ベースの光電陰極が長期安定性を達成するために不可欠です。 従来使用されている TiO2 などの無機保護層は、Si を腐食性溶液から隔離するためにピンホールがない必要があり、これには非常に高品質の成膜技術が必要です。 一方、有機疎水性保護層は、電流密度と安定性の間のトレードオフに悩まされます。 この論文では、制御可能な表面濡れ性を備えた不連続ハイブリッド有機保護層の設計と製造について説明します。 下にある疎水性層は不連続細孔で薄いガス層の形成を誘導し、電解質を Si 基板から隔離し、同時に Pt 助触媒を電解質と接触させて水を分解します。 一方、この有機層の表面は親水性の水酸基で修飾されており、気泡の離脱を容易にしている。 最適化された光電陰極は、減衰傾向がなく、110 時間以上にわたり 35 mA/cm2 の安定した光電流を達成します。

太陽エネルギーを水素などの化学燃料に変換することは、エネルギーと環境問題を軽減する持続可能な方法です1。 シリコン (Si)2、さまざまな金属酸化物 3、および III-V 族半導体 4、5 は、光電気化学 (PEC) 水の分解について研究されています。 中でも、Si は、その低コスト、適切なバンドギャップ、およびバンド端の位置により、PEC 水素発生反応 (HER) の最も魅力的な候補の 1 つです6。 ただし、Si は水溶液中で失活しやすい 7、8、9。 安定した Si ベースの光電陰極を構築するための一般的な戦略は、Si 表面にスパッタリング 10 または原子層堆積 (ALD) 11 によって緻密な金属層または金属酸化物層を導入し、Si を電解質から隔離することです。 したがって、このコンパクトな保護層は、耐久性があり効率的な光電陰極 15 を可能にするために、透明 12、導電性 13、および化学的に安定している 14 必要があります。 ALD によって形成された TiO2 フィルムは、PEC 電極の保護層として広く使用されています 16、17、18。 ただし、TiO2 は非常に負の電位 19 または UV 照射下 20 では不安定になります。 一方、以前の研究では、通常の実験室環境では基板上に大気中の粒子状物質が存在するため、厳密な意味でピンホールがなくなるには、ALD で成長させた TiO2 の厚さは最低 50 nm 必要であることが判明しました 21,22,23,24。 25. さらに、ピンホールに相当する孔食も確認されました26。 したがって、ピンホールのない層を必要とする従来の絶縁戦略では、材料の選択と堆積方法に制限が課せられます。 したがって、保護層のピンホールに対する許容範囲を備えながら、Si と液体の接触を軽減できる戦略 27 を開発する必要があります。

緻密な保護層で Si 基板を電解液から隔離することに加えて、Si の疎水性を高めて表面近くの液体の輸送を遅らせることで Si と液体の接触を減らすことも可能であり 28、これにより腐食速度が低下する可能性があります 29,30。 。 ただし、Si と液体の接触が減少すると、水の分解反応の活性領域も減少します。 さらに、以前の研究では、ほとんどの疎水性層は導電性が低く 31,32、一方、疎水性電極は湿潤性電極よりも大幅に低い HER 活性を示したことが観察されています 33,34。 疎水性電極の性能が低いのは、HER35、36、37 の実行中に大量のガスが表面で大きな泡に成長し、HER の活性部位が覆われて電流降下が生じるという事実に起因すると考えられます。触媒38． したがって、効率的な表面反応を達成するために助触媒を覆う気泡を防止しながら、疎水性層を保護層として使用することが非常に望まれているが、依然として課題である。