Die photoelektrochemische (PEC) gesamte Wasserspaltungsreaktion (OWS) wurde im letzten Jahrzehnt vollständig entwickelt, insbesondere in Bezug auf neue Katalysatoren, Charakterisierungsmethoden und Reaktionsmechanismen. Im Vergleich zur Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) gilt die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) aufgrund ihrer trägen Kinetik als Flaschenhals der OWS.
Um den Bias-Verbrauch von Photoanoden zu reduzieren, wurde eine Reihe alternativer OER-Halbreaktionen entwickelt, wie z. B. Oxidationsreaktionen von Alkoholen, Harnstoff und Ammoniak. Das ultimative Ziel der Photochemie ist die Herstellung einer effizienten, unvoreingenommenen PEC-Zelle mit zwei Elektroden.
Die meisten bisherigen Studien konzentrierten sich jedoch nur auf die Eigenschaften der Arbeitselektrode in der Drei-Elektroden-Zelle, während die Polarisation an der Gegenelektrode weitgehend ignoriert wurde. Der synergistische Mechanismus zwischen anodischer Oxidation und kathodischer Reduktionshalbreaktion ist noch unklar.
Kürzlich schlug die Gruppe von Professor Yuchao Zhang eine experimentelle Methode zur Messung der Vorspannungsverteilung in einer Zwei-Elektroden-PEC-Zelle vor und untersuchte systematisch die Vorspannungsverteilung zwischen repräsentativen Photoanoden und Pt-Kathoden in PEC-OWS-Zellen. Sie zeigten erstmals, dass die OER-Halbreaktion nicht immer der geschwindigkeitsbestimmende Faktor der OWS ist und der Vorspannungsverbrauch der Elektroden von der Photospannung der Photoanode und dem Fermi-Niveau der Kathode abhängt.
Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch National Science Review.
Weitere Studien unter Verwendung von Ni/n-Si als Modellphotoanode zeigten, dass die Vorspannungsverteilung in der Gesamtreaktion durch Abstimmung des Elektrolyt-pH-Werts und gekoppelter Halbreaktionen effektiv angepasst werden kann. Dementsprechend schlugen sie einen Deskriptor zur Bewertung der Kompatibilität zwischen verschiedenen Halbreaktionen vor, der eine allgemeine Methode zum Entwurf einer effizienten PEC-Gesamtreaktionszelle aufzeigte.
Davon inspiriert stellten sie eine erwartungsfreie PEC-Zelle her, die nur aus einer Ni/n-Si-Photoanode und einer Pt-Kathode mit einem Photostrom von 5,3 ± 0,2 mA cm−2 bestand.
Mehr Informationen:
Kun Dang et al., Bias-Verteilung und -Regulierung in photoelektrochemischen Gesamtwasserspaltungszellen, National Science Review (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae053