Förutom stora spår, som fanns före etsningen, hög densitet av små spår observerades på ytorna efter etsning. Kredit:NITech
I det aktuella sammanhanget rörande CO 2 nivåer och hållbarhetsfrågor, jakten på effektiva och rena alternativ för att producera energi fortsätter. Bland de mest attraktiva miljövänliga bränslena som är kända, väte sticker ut och det finns stor potential för dess användning. Men forskare har ännu inte kommit fram till en kostnadseffektiv och skalbar metod för att producera stora mängder väte, och en väteekonomi är fortfarande inte i korten.
Till exempel, väte kan framställas från fossila bränslen, men processen genererar CO 2 och är, därför, inte hållbart. Ett miljövänligt tillvägagångssätt för att producera väte är vattendelning:bryta upp vattenmolekyler (H 2 O) för att erhålla rent väte (H 2 ). Den energi som denna process kräver kan skördas direkt från solstrålning med hjälp av fotoelektrokemiska celler. Dessa celler är sammansatta av två elektroder och ett material som kallas elektrolyten; egenskaperna hos alla tre är skräddarsydda för att utlösa och gynna de nödvändiga vattensplittningsreaktionerna.
En viktig egenskap som bestämmer effektiviteten av vattenspjälkningsreaktionen är "bandgapet" hos fotoelektrodmaterialet. Bandgapet är i stort sett ett mått på den energi som elektroderna måste ta emot så att laddning kan överföras genom dem och reaktionen kan inträffa. Fotoelektrodmaterial med måttliga bandgap är önskvärda eftersom mindre energi skulle behöva fångas från solstrålning för att orsaka laddningscirkulation. I ljuset av detta, kiselkarbid (SiC) elektroder har undersökts som ett lovande alternativ.
Nu, forskare från Nagoya Institute of Technology, Japan, har bidragit till en bättre förståelse av dessa material. "SiC är ett av de mest lovande fotoelektrodmaterialen på grund av dess hållbarhet. Bland dess olika typer, 3C-SiC kan absorbera en del av synligt ljus på grund av sitt måttliga bandgap och kan också bilda väte, " förklarar Dr. Kato, huvudforskaren i denna studie publicerad i Applied Physics Express. Icke desto mindre, den observerade prestandan för befintliga 3C-SiC fotoelektroder är fortfarande lägre än vad som förutses genom teoretiska beräkningar.
För att överbrygga denna klyfta och förbättra prestanda, forskarna tillämpade ett tidigare rapporterat tillvägagångssätt:fotoelektroders effektivitet kan förbättras genom att ge dem en strukturerad struktur. En robust yta tillåter det infallande ljuset att passera genom materialet flera gånger, öka mängden solljus som absorberas.
I den här studien, för att göra 3C-SiC-fotoelektrodytorna strukturerade, Dr Kato och hans kollega använde en teknik som kallades "elektrokemisk etsning". De jämförde sedan de optiska och elektriska egenskaperna och prestandan för flera fotoelektroder etsade under olika förhållanden. De observerade också alla ytor genom avancerad mikroskopiteknik.
De såg att etsningen företrädesvis hade skett på befintliga förkastningar och dislokationer på materialets yta. Dess ytråhet ökade kraftigt (som önskat), utan bildandet av "punktdefekter" - anomalier i elektrodens basstruktur.
Dess prestanda - mätt genom dess foton-till-ström-omvandlingseffektivitet under en applicerad spänning (även känd som "ABPE" eller "applied bias photon-to-current-konverteringseffektivitet") - visade förbättring. Under optimala förhållanden för etsning och platinasamkatalysatoravsättning, prestandan visade sig vara 2 %. "Detta ABPE-värde är det högsta bland de rapporterade effektiviteterna för SiC-fotoelektroder hittills. vi tror att vår 3C-SiC-fotoelektrod med en ytstruktur bildad genom elektrokemisk etsning är lovande för sol-till-väte-energiomvandlingstillämpningar, " avslutar Dr. Kato.
Forskarna säger att deras slutmål är att en dag producera SiC-fotokatoder med sol-till-väte-effektivitet jämförbar med andra energiomvandlingsteknologier. Att förverkliga denna vision kan vara ett viktigt steg mot en mer miljövänlig väteekonomi.
