Фотоэлектрохимия - это раздел физической химии, связанный с взаимодействием 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 технологий преобразования и хранения возобновляемой энергии.
Исторический подход [ править ]
Фотоэлектрохимия интенсивно изучалась в 70-80-е годы из-за первого пика нефтяного кризиса. Поскольку ископаемое топливо невозобновляемо, необходимо разработать процессы для получения возобновляемых ресурсов и использования чистой энергии. В этом контексте особый интерес представляют искусственный фотосинтез, фотоэлектрохимическое расщепление воды и регенеративные солнечные элементы. Обнаружил Александр Эдмунд Беккерель.
Х. Геришер, Х. Трибуч, AJ. Нозик, AJ. Бард, А. Фудзисима, К. Хонда, ЧП. Лайбинис, К. Раджешвар, Т.Дж. Мейер, П.В. Камат, Н.С. Льюис, Р. Мемминг, JOM. Бокрис - исследователи, внесшие большой вклад в область фотоэлектрохимии.
Электрохимия полупроводников [ править ]
Введение [ править ]
Полупроводниковые материалы имеют запрещенную зону и будут генерировать пару электронов и дырок для каждого поглощенного фотона, если энергия фотона выше, чем энергия запрещенной зоны полупроводника. Это свойство полупроводниковых материалов успешно используется для преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрических устройств .
При фотокатализе электронно-дырочная пара немедленно используется для запуска окислительно-восстановительной реакции. Однако электронно-дырочные пары страдают от быстрой рекомбинации. В фотоэлектрокатализе дифференциальный потенциал применяется для уменьшения количества рекомбинаций между электронами и дырками. Это позволяет увеличить выход света, преобразующего химическую энергию.
Интерфейс полупроводник-электролит [ править ]
Когда полупроводник вступает в контакт с жидкостью ( редокс-частицами ) для поддержания электростатического равновесия, будет происходить перенос заряда между полупроводником и жидкой фазой, если формальный редокс-потенциал редокс-частиц находится внутри запрещенной зоны полупроводника. При термодинамическом равновесии уровень Ферми полупроводника и формальный окислительно-восстановительный потенциал окислительно-восстановительных частиц выровнены на границе раздела между полупроводником и окислительно-восстановительными компонентами. Это приводит к изгибу полосы вверх в полупроводнике n-типа для перехода полупроводник / жидкость n-типа (рис.1 (а)) и изгиба полосы 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 характеристики выпрямления на границе раздела полупроводник / жидкость, формальный окислительно-восстановительный потенциал должен быть близок к валентной зоне полупроводника для полупроводника n-типа.и близко 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 через поверхность полупроводника без значительного отражения; тогда как большая часть света отражается от металлической поверхности на переходе полупроводник / металл. Следовательно, переходы полупроводник / жидкость также могут использоваться в качестве фотоэлектрических устройств, подобных твердотельным устройствам с p – n переходом . Переходы полупроводник / жидкость n-типа и p-типа могут использоваться в качестве фотоэлектрических устройств для преобразования солнечной энергии в электрическую и называются фотоэлектрохимическими ячейками.. Кроме того, переход полупроводник / жидкость также можно использовать для прямого преобразования солнечной энергии в химическую энергию за счет фотоэлектролиза на переходе полупроводник / жидкость.
Рисунок 1 (а) зонная диаграмма перехода полупроводник / жидкость n-типа.
Рисунок 1 (b) зонная диаграмма перехода полупроводник / жидкость p-типа.
Экспериментальная установка [ править ]
Полупроводники обычно исследуют в фотоэлектрохимической ячейке . Существуют разные конфигурации с трехэлектродным устройством. Явление для изучения происходит на рабочем электроде WE, когда между WE и электродом сравнения RE (насыщенная каломель, Ag / AgCl) приложен дифференциальный потенциал. Ток измеряется между WE и противоэлектродом CE (стекловидный углерод, платиновая сетка). Рабочий электрод представляет собой полупроводниковый материал, а электролит состоит из растворителя, электролита и редокс-частиц.
Для освещения рабочего электрода обычно используют УФ-видимую лампу. Фотоэлектрохимический элемент обычно изготавливается с кварцевым окном, поскольку он не поглощает свет. Монохроматор может использоваться для управления длиной волны, отправляемой в WE.
Основные поглотители, используемые в фотоэлектрохимии [ править ]
Полупроводник IV [ править ]
C (алмаз), Si, Ge, SiC, SiGe
Полупроводник III-V [ править ]
BN, BP, BAs, AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs ...
Полупроводник II-VI [ править ]
CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , WSe 2
Оксиды металлов [ править ]
TiO 2 , Fe 2 O 3 , Cu 2 O
Органические красители [ править ]
Метиленовый синий ...
Металлоорганические красители [ править ]
Перовскиты [ править ]
Приложения [ править ]
Фотоэлектрохимическое расщепление воды [ править ]
Фотоэлектрохимия интенсивно изучается в области получения водорода из воды и солнечной энергии. Фотоэлектрохимическое расщепление воды исторически было обнаружено Фудзисимой и Хондой в 1972 году на электродах из TiO 2 . В последнее время многие материалы показали многообещающие свойства эффективно расщеплять воду, но TiO 2 остается дешевым, широко распространенным и устойчивым к фотокоррозии. Основная проблема TiO 2 заключается в его ширине запрещенной зоны, которая составляет 3 или 3,2 эВ в зависимости от его кристалличности (анатаз или рутил). Эти значения слишком высоки, и только длина волны УФ-диапазона может быть поглощена. Чтобы повысить способность этого материала расщеплять воду с длиной волны солнечного света, необходимо повысить чувствительность TiO 2.. В настоящее время сенсибилизация с помощью квантовых точек является очень многообещающей, но необходимы дополнительные исследования, чтобы найти новые материалы, способные эффективно поглощать свет.
Искусственный фотосинтез [ править ]
Фотосинтез - это естественный процесс преобразования CO 2 с помощью света в углеводородные соединения, такие как сахар. Истощение запасов ископаемого топлива побуждает ученых искать альтернативы производству углеводородных соединений. Искусственный фотосинтез - многообещающий метод, имитирующий естественный фотосинтез для производства таких соединений. Фотоэлектрохимическая снижение СО2 значительно изучена из - за его мировое влияние. Многие исследователи стремятся найти новые полупроводники для разработки стабильных и эффективных фотоанодов и фотокатодов.
Регенеративные элементы или сенсибилизированные красителем солнечные элементы (ячейка Гретцеля) [ править ]
Сенсибилизированные красителем 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 - / I 3 - . Следовательно, создается дифференциальный потенциал, который индуцирует ток.
Ссылки [ править ]
- ^ Сборник химической терминологии ИЮПАК
- ^ Энциклопедия электрохимии
Внешние ссылки [ править ]
- Полный обзор фотоэлектрохимии полупроводников
- Обзор фотоэлектрохимии полупроводников
- Энциклопедия электрохимии в веб-архивах Библиотеки Конгресса (архив 25 ноября 2001 г.)
- ИЮПАК
