Исследователи разработали прочные органические полупроводниковые фотокатоды с инкапсуляцией из металлической фольги

22 сентября 2022 г.

по GIST (Институт науки и технологий Кванджу)

Водород становится популярной экологически чистой альтернативой ископаемому топливу благодаря своим углеродно-нейтральным продуктам сгорания (воде, электричеству и теплу) и считается топливом следующего поколения для общества с нулевым уровнем выбросов. Однако, по иронии судьбы, основным источником водорода является ископаемое топливо.

Одним из способов производства водорода экологически чистым и устойчивым способом является расщепление воды под действием солнечного света. Процесс, известный как «фотоэлектрохимическое (PEC) расщепление воды», лежит в основе работы органических фотоэлектрических элементов. Что делает этот метод привлекательным, так это то, что он позволяет 1) массовое производство водорода в ограниченном пространстве без сетевой системы и 2) высокоэффективное преобразование солнечной энергии в водород.

Однако, несмотря на такие преимущества, фотоактивные материалы, используемые в обычных ПЭК, не обладают свойствами, необходимыми для коммерческого использования. В связи с этим органические полупроводники (ОС) стали потенциальным фотоэлектродным материалом для коммерческого производства водорода из ПЭК благодаря их высоким характеристикам и низкой стоимости печати. Но есть и обратная сторона: ОС страдают плохой химической стабильностью и низкой плотностью фототока.

Теперь группа исследователей под руководством профессора Санхана Ли из Института науки и технологий Кванджу, Корея, возможно, наконец решила эту проблему. В своем недавнем прорыве, который появился на обложке журнала Journal of Materials Chemistry A, команда применила подход, основанный на инкапсуляции фотокатода OS в украшенную платиной титановую фольгу, метод, известный как «инкапсуляция металлической фольги», чтобы предотвратить его воздействие раствора электролита.

«Инкапсуляция металлической фольгой является мощным подходом для создания долговременно стабильных фотокатодов на основе ОС, поскольку она помогает препятствовать проникновению электролитов в ОС, улучшая их долговременную стабильность, как было продемонстрировано в наших предыдущих исследованиях и других отчетах по ОС. фотоэлектроды на основе», — объясняет профессор Ли.

Команда изготовила органический фотоэлектрический элемент, в котором фотокатод ОС был покрыт титановой фольгой и хорошо диспергированными наночастицами платины. При тестировании фотокатод ОС показал начальный потенциал 1 В по сравнению с обратимым водородным электродом (RHE) и плотность фототока -12,3 мА см-2 при 0 VRHE. Самое примечательное, что ячейка продемонстрировала рекордную стабильность работы, сохраняя 95,4% максимального фототока в течение более 30 часов без каких-либо заметных ухудшений ОС. Кроме того, команда протестировала модуль под реальным солнечным светом и смогла производить водород.

Высокостабильный и эффективный модуль PEC, разработанный в этом исследовании, может обеспечить крупномасштабное производство водорода и вдохновить на инновационные пути строительства будущих водородных заправочных станций. «В условиях растущей угрозы глобального потепления крайне важно развивать экологически чистые источники энергии. Модуль PEC, исследованный в нашем исследовании, может быть установлен на водородных заправочных станциях, где водород можно будет как массово производить, так и продавать одновременно». ", - говорит профессор Ли.

Больше информации: Сехун Со и др., Долгосрочная стабильная фотоэлектрохимическая модульная система на основе органических полупроводниковых фотокатодов для производства водорода, Journal of Materials Chemistry A (2022). DOI: 10.1039/D2TA02322A