Ett forskarlag bestående av medlemmar av Egyptian Petroleum Research Institute och Functional Materials Engineering Laboratory vid Toyohashi University of Technology, har utvecklat en ny högpresterande fotoelektrod genom att konstruera en zinkoxid-nanopagodarray med en unik form på en transparent elektrod och applicera silver nanopartiklar till sin yta.
Zinkoxidnanopagoden kännetecknas av att den har många stegstrukturer, eftersom den består av staplar av sexkantiga prismor av olika storlek. Dessutom uppvisar den mycket få kristalldefekter och utmärkt elektronledningsförmåga. Genom att dekorera sin yta med nanopartiklar av silver får zinkoxid-nanopagoda-array-fotoelektroden synliga ljusabsorptionsegenskaper, vilket gör att den kan fungera under solljusbestrålning.
Fotoelektrokemisk vattenklyvning med hjälp av solljus förväntas användas som en teknik för att producera ren energi i form av väte. Som nyckelmaterial för denna teknik måste fotoelektroder ha låg överpotential mot vattensplittringsreaktioner, förutom hög solabsorption och laddningsöverföringseffektivitet.
För praktisk tillämpning kan denna teknik inte använda sällsynta metaller som primärmaterial, och tillverkningsprocessen måste industrialiseras; men material som uppfyller dessa krav har ännu inte utvecklats.
Följaktligen fokuserade forskargruppen enbart på zinkoxid-nanopagoda-arrayen, eftersom sådana arrayer är billiga att producera, har hög elektronledningsförmåga och inte är sårbara för utarmning av råmaterial. Inledningsvis ansågs zinkoxidnanopagoda-arrayer vara svåra att tillverka med god reproducerbarhet.
Leds av Marwa Abouela – en tredjeårs doktorand som också är huvudförfattare till artikeln publicerad i Electrochemistry Communications —teamet optimerade först syntesprocessen för att säkerställa hög reproducerbarhet. När de fotoelektrokemiska egenskaperna hos den erhållna fotoelektroden utvärderades, observerades en relativt stor fotoström framträda under pseudo-solljusbestrålning.
Förutom den höga laddningsöverföringseffektiviteten som är förknippad med låg defektdensitet och hög kemisk reaktionsaktivitet på ytan i många steg, har en elektromagnetisk fältanalys visat att nanopagodens unika nanostruktur effektivt kan fånga ultravioletta strålar som finns i det infallande ljuset.
För att säkerställa ett effektivt utnyttjande av synligt ljus, som står för 55 % av solljuset, förbättrade forskargruppen de fotoelektrokemiska egenskaperna ytterligare genom att dekorera zinkoxidnanopagodens yta med silvernanopartiklar som uppvisar lokal ytplasmonresonans, vilket ökar fotoströmmen med cirka 1,5 gånger .
Verkningsspektrumet för fotoströmvärdet indikerar att denna förbättring främst tillskrivs den heta elektronöverföringen som orsakas av absorption av synligt ljus av den lokaliserade ytplasmonresonansen hos silvernanopartiklar. Genom att optimera användningen av silvernanopartiklar blev det möjligt att endast förbättra de fotoelektrokemiska egenskaperna samtidigt som man förhindrade negativa effekter på nanopagodens egenskaper.
Docent Go Kawamura, en av motsvarande författarna, sa:"Zinkoxidnanopagoder övervägdes för applicering endast på elektronkanonavsändare, med användning av deras höga laddningsöverföringseffektivitet. Men eftersom strukturen har många steg, var vår första idé att det är mycket aktiv mot ytkemiska reaktioner och kan vara lämplig för att katalysera fotoelektrokemiska reaktioner."
"Efter att ha lyckats tillverka nanopagoden, syftade vi till att förbättra effektiviteten av solljusutnyttjande genom att applicera silvernanopartiklar som uppvisar lokal ytplasmonresonans, och utvärderade effekten genom elektromagnetisk fältanalys, men det visade sig att zinkoxidnanopagoden fångar infallande ljus , särskilt ultravioletta strålar, in i dess inre Även om detta var helt oväntat, var det en lycklig upptäckt, eftersom denna egenskap bidrar till förbättringen av fotoelektrokemiska egenskaper."
För närvarande leder Marwa och studenter från samma laboratorium en undersökning av effekten av exakt strukturell kontroll av zinkoxidnanopagoder, såväl som ytdekoration med andra material, på de fotoelektrokemiska egenskaperna hos nämnda pagoder. Eftersom zinkoxid är utsatt för fotokorrosion, kan den inte motstå långvarig solljusstrålning i sig själv, vilket leder till att vi fokuserar på att förbättra hållbarheten via ytdekoration.
Efter att ha uppnått både höga fotoelektrokemiska egenskaper och hållbarhet planerar teamet att utföra vattenklyvande väteproduktion i en verklig miljö (nedbrytning av flodvatten eller havsvatten genom solljus).
Mer information: Marwa Mohamed Abouela et al, Ag nanopartiklar dekorerade ZnO nanopagoder för fotoelektrokemisk tillämpning, Electrochemistry Communications (2023). DOI:10.1016/j.elecom.2023.107645
Journalinformation: Elektrokemikommunikation
Tillhandahålls av Toyohashi University of Technology
