Ein Forschungsteam, bestehend aus Mitgliedern des Egyptian Petroleum Research Institute und des Functional Materials Engineering Laboratory der Toyohashi University of Technology, hat eine neuartige Hochleistungs-Photoelektrode entwickelt, indem es eine Zinkoxid-Nanopagode-Anordnung mit einer einzigartigen Form auf einer transparenten Elektrode konstruiert und aufgetragen hat Silber-Nanopartikel an seine Oberfläche.
Die Zinkoxid-Nanopagode zeichnet sich durch viele Stufenstrukturen aus, da sie aus Stapeln unterschiedlich großer sechseckiger Prismen besteht. Darüber hinaus weist es sehr wenige Kristalldefekte und eine hervorragende Elektronenleitfähigkeit auf. Durch die Verzierung ihrer Oberfläche mit Silbernanopartikeln erhält die Photoelektrode mit Zinkoxid-Nanopagoden-Array Absorptionseigenschaften für sichtbares Licht, sodass sie unter Sonnenlichteinstrahlung funktionieren kann.
Die photoelektrochemische Wasserspaltung mithilfe von Sonnenlicht soll als Technologie zur Erzeugung sauberer Energie in Form von Wasserstoff eingesetzt werden. Als Schlüsselmaterialien für diese Technologie müssen Fotoelektroden neben einer hohen Sonnenabsorptions- und Ladungsübertragungseffizienz ein niedriges Überpotential gegen Wasserspaltungsreaktionen aufweisen.
Für eine praktische Anwendbarkeit kann diese Technologie keine seltenen Metalle als Primärmaterialien verwenden und der Herstellungsprozess muss industrialisiert werden; Materialien, die diese Anforderungen erfüllen, wurden jedoch noch nicht entwickelt.
Dementsprechend konzentrierte sich das Forschungsteam ausschließlich auf die Zinkoxid-Nanopagoden-Anordnung, da solche Anordnungen kostengünstig herzustellen sind, eine hohe Elektronenleitfähigkeit aufweisen und nicht anfällig für die Erschöpfung der Rohstoffe sind. Ursprünglich galten Zinkoxid-Nanopagoden-Arrays als schwierig herzustellen und gut reproduzierbar.
Unter der Leitung von Marwa Abouelela – einer Doktorandin im dritten Jahr, die auch die Hauptautorin des Artikels ist veröffentlicht In Elektrochemische Kommunikation– Das Team optimierte zunächst den Syntheseprozess, um eine hohe Reproduzierbarkeit sicherzustellen. Bei der Bewertung der photoelektrochemischen Eigenschaften der erhaltenen Photoelektrode wurde beobachtet, dass unter Pseudo-Sonnenlichtbestrahlung ein relativ großer Photostrom entstand.
Zusätzlich zu der hohen Ladungsübertragungseffizienz, die mit einer geringen Defektdichte und einer hohen chemischen Reaktionsaktivität an der Oberfläche in vielen Schritten einhergeht, hat eine elektromagnetische Feldanalyse ergeben, dass die einzigartige Nanostruktur der Nanopagode die im einfallenden Licht enthaltenen ultravioletten Strahlen effizient einfangen kann.
Um die effektive Nutzung des sichtbaren Lichts zu gewährleisten, das 55 % des Sonnenlichts ausmacht, verbesserte das Forschungsteam die photoelektrochemischen Eigenschaften weiter, indem es die Oberfläche der Zinkoxid-Nanopagode mit Silbernanopartikeln dekorierte, die eine lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz aufweisen, wodurch der Photostrom um etwa das 1,5-fache erhöht wurde .
Das Aktionsspektrum des Photostromwerts zeigt, dass diese Verbesserung hauptsächlich auf den heißen Elektronentransfer zurückzuführen ist, der durch die Absorption sichtbaren Lichts durch die lokalisierte Oberflächenplasmonresonanz von Silbernanopartikeln verursacht wird. Durch die Optimierung der Anwendung von Silbernanopartikeln wurde es möglich, nur die photoelektrochemischen Eigenschaften zu verbessern und gleichzeitig negative Auswirkungen auf die Eigenschaften der Nanopagode selbst zu verhindern.
Associate Professor Go Kawamura, einer der korrespondierenden Autoren, sagte: „Zinkoxid-Nanopagoden wurden nur für die Anwendung in Elektronenkanonen-Emittern in Betracht gezogen, da sie ihre hohe Ladungsübertragungseffizienz nutzen. Da die Struktur jedoch aus vielen Schritten besteht, war unsere ursprüngliche Idee, dass dies der Fall ist.“ hochaktiv gegen chemische Oberflächenreaktionen und kann zur Katalyse photoelektrochemischer Reaktionen geeignet sein.“
„Nachdem es uns gelungen war, die Nanopagode herzustellen, wollten wir die Effizienz der Sonnenlichtnutzung durch den Einsatz von Silbernanopartikeln verbessern, die eine lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz aufweisen, und bewerteten den Effekt durch Analyse elektromagnetischer Felder. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Zinkoxid-Nanopagode einfallendes Licht einfängt , insbesondere ultraviolette Strahlen, in sein Inneres. Obwohl dies völlig unerwartet war, war es eine glückliche Entdeckung, da diese Eigenschaft zur Verbesserung der photoelektrochemischen Eigenschaften beiträgt.“
Zukunftsausblick
Derzeit führen Marwa und Studenten desselben Labors eine Untersuchung der Auswirkungen einer präzisen Strukturkontrolle von Zinkoxid-Nanopagoden sowie der Oberflächendekoration mit anderen Materialien auf die photoelektrochemischen Eigenschaften dieser Pagoden durch. Da Zinkoxid anfällig für Photokorrosion ist, kann es selbst einer langfristigen Sonneneinstrahlung nicht standhalten. Daher konzentrieren wir uns auf die Verbesserung der Haltbarkeit durch Oberflächendekoration.
Sobald sowohl hohe photoelektrochemische Eigenschaften als auch Haltbarkeit erreicht sind, plant das Team die wasserspaltende Wasserstoffproduktion in einer realen Umgebung (Zersetzung von Fluss- oder Meerwasser durch Sonnenlicht).
Mehr Informationen:
Marwa Mohamed Abouelela et al, Ag-Nanopartikel dekorierten ZnO-Nanopagoden für photoelektrochemische Anwendungen, Elektrochemische Kommunikation (2023). DOI: 10.1016/j.elecom.2023.107645