Fotoelektrokemisk (PEC) vattendelning är en potentiellt genomförbar strategi för att omvandla solenergi till grönt väte. Men nuvarande PEC-system lider av relativt låg laddningsseparationseffektivitet och trög vattenoxidationsreaktion, vilket hindrar dem från att möta behoven för praktiska tillämpningar. Den huvudsakliga flaskhalsen som att uppnå effektiv rumslig laddningsseparation, vilket är avgörande för att uppnå effektiv sol-till-väte-omvandling.
Heterojunction engineering är en av de mest lovande metoderna för rumslig laddningsseparation, men ändå förblir bärarseparationseffektiviteten för heterojunction begränsad på grund av energibandsmatchning eller gränssnitts- och strukturell kompatibilitet mellan olika halvledare. Samtidigt har konstruktionen av p-n-homojunction genom finkontroll av dopningsmedel eller defekter i halvledare visat sig vara genomförbar, men fenomenet som neutraliserar det elektriska gränssnittsfältet genom snabb ackumulering av bärare under överföringsprocessen är i stort sett försumbart.
För detta ändamål designade ett team av forskare från School of Chemical Engineering and Technology vid Tianjin University en unik n-TiO2 /BaTiO3 /p-TiO2 heterojunction som kopplar ihop med piezoelektrisk effekt och p-n-övergångar för att övervinna laddningsseparationen och överföringsbegränsningen för p-n-övergången.
"I vår designade heterojunction, den ferroelektriska BaTiO3 lagret är mellan n-TiO2 med syrevakanser och p-TiO2 med vakanser i titan", delar Minhua Ai, huvudförfattare till studien publicerad i tidskriften Green Energy &Environment . "Därför uppnår TBT3 en framträdande fotoströmdensitet som är 2,4 och 1,5 gånger högre än TiO2 och TiO2 –BaTiO3 heterojunction, respektive."
Framför allt, drivet av mekanisk deformation, kan ett stabilt polariserat elektriskt fält bildat i ferroelektrisk BaTiO3 ytterligare reglera inbyggda elektriska fält baserat på omfattande karakteriseringar av laddningsbärarbeteenden i en sådan multi-heterojunction. Och n-TiO2 /BaTiO3 /p-TiO2 heterojunction uppnå piezoelektriskt förbättrad PEC-prestanda (2,84 gånger högre än TiO2 vid 1,23 V vs. RHE).
"Baserat på kopplingen med piezoelektrisk effekt och p-n-övergångar, tillhandahåller vårt arbete en piezoelektrisk polarisationsstrategi för att modulera det inbyggda elektriska fältet för heteroövergång för förbättring av laddningsseparationen", tillägger senior och motsvarande författare Lun Pan.
Mer information: Minhua Ai et al, Piezoelektriskt förbättrad n-TiO2/BaTiO3/p-TiO2 heterojunction för högeffektiv fotoelektrokatalys, Green Energy &Environment (2023). DOI:10.1016/j.gee.2023.12.001
Tillhandahålls av KeAi Communications Co.
