Steigerung der Mehrloch-Wasseroxidationskatalyse auf Hämatit-Photoanoden bei niedriger Vorspannung

Die photoelektrochemische (PEC) Wasseroxidationsreaktion hat in den letzten Jahren wegen ihrer Bedeutung für die Umwandlung von Sonnenenergie beträchtliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Für solch eine träge Vier-Loch- und Vier-Protonen-Transferreaktion in einer langen Zeitskala von ms–s haben immer mehr Studien gezeigt, dass die Akkumulation mehrerer oberflächengefangener Löcher (z. B. hochvalentes Eisenoxo auf Hämatitoberflächen) oder „Oxidierende Äquivalente“ ist eine Voraussetzung für einen effizienten PEC-Wasseroxidationsprozess. Frühere PEC-Wasseroxidationsstudien wenden üblicherweise hohe Potentiale (>1,2 VRHE) an, um diesen Schlüssel zu erreichen. Aber wie man den Multi-Loch-Transfer unter niedriger Vorspannung (nahe dem Onset-Potential) vervollständigt, bleibt unbekannt.

Eine Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaft China Chemie und unter der Leitung von Prof. Yuchao Zhang (Key Laboratory of Photochemistry, Chinese Academy of Sciences) versuchten, dieses Thema anzugehen.

Zhangs Forschungsgruppe untersuchte die wichtige Rolle der Anregungsenergie im Multi-Loch-Akkumulationsprozess. PEC-Charakterisierungen und Ratengesetzanalysen zeigten, dass die UV-Anregung die Akkumulation mehrerer an der Oberfläche eingefangener Löcher erheblich steigern konnte, wodurch das Onset-Potential kathodisch um 220 mV verschoben und die PEC-Wasseroxidationsaktivität um eine Größenordnung verbessert wurde.

Nachfolgende Volumentransportdynamik und Oberflächenladungstransferkinetik zeigten, dass die UV-Anregung im Vergleich zur Anregung mit sichtbarem Licht die Bildungswahrscheinlichkeit von selbsteingefangenen Exzitonen verringerte und zu einer etwa 3- bis 5-fachen Zunahme von Oberflächenlöchern führte, was für die verantwortlich war gefördert Multi-Loch Akkumulationsprozess.

Diese Vorteile ermöglichen es der UV-Anregung, unter 1 Sonnenbeleuchtung etwa 40 % zum gesamten Photostrom beizutragen, obwohl ihre Energie nur 6 % des einfallenden Lichts einnimmt. Dieser Mechanismus war auch anwendbar, um andere Mehrlochkatalysen (wie die Oxidation von Thioether und Nitrit) bei geringer Vorspannung zu verstärken.