Foto-elektrochemische (PEC) watersplitsing is een potentieel haalbare strategie voor het omzetten van zonne-energie in groene waterstof. De huidige PEC-systemen hebben echter te lijden onder een relatief laag ladingsscheidingsrendement en een trage wateroxidatiereactie, waardoor ze niet aan de behoeften van praktische toepassingen kunnen voldoen. Het belangrijkste knelpunt is het bereiken van een effectieve ruimtelijke scheiding van ladingen, wat cruciaal is voor het bereiken van een efficiënte conversie van zonne-energie naar waterstof.

Heterojunctie-engineering is een van de meest veelbelovende methoden voor ruimtelijke ladingsscheiding, maar de efficiëntie van dragerscheiding van heterojunctie blijft beperkt vanwege energiebandaanpassing of grensvlak- en structurele compatibiliteit tussen verschillende halfgeleiders. Ondertussen is bewezen dat de constructie van p-n-homojunctie door het nauwkeurig controleren van doteerstof of defecten in halfgeleiders haalbaar is, maar het fenomeen dat het elektrische veld op het grensvlak neutraliseert door snelle accumulatie van dragers tijdens het overdrachtsproces is grotendeels te verwaarlozen.

Daartoe heeft een team onderzoekers van de School of Chemical Engineering and Technology van de Universiteit van Tianjin een unieke n-TiO₂ ontworpen /BaTiO₃ /p-TiO₂ heterojunctie die koppelt aan piëzo-elektrisch effect en p-n-overgangen om de ladingsscheiding en overdrachtsbeperking van p-n-overgang te overwinnen.

"In onze ontworpen heterojunctie, de ferro-elektrische BaTiO₃ laag ligt tussen n-TiO₂ met zuurstofvacatures en p-TiO₂ met vacatures in titanium", vertelt Minhua Ai, hoofdauteur van de studie gepubliceerd in het tijdschrift Green Energy &Environment . "Als gevolg hiervan bereikt de TBT3 een prominente fotostroomdichtheid die 2,4 en 1,5 keer hoger is dan TiO₂ en TiO₂ –BaTiO₃ heterojunctie, respectievelijk."

Met name aangedreven door mechanische vervorming kan een stabiel gepolariseerd elektrisch veld gevormd in ferro-elektrisch BaTiO3 de ingebouwde elektrische velden verder reguleren op basis van uitgebreide karakteriseringen van het gedrag van ladingsdragers in een dergelijke multi-heterojunctie. En n-TiO₂ /BaTiO₃ /p-TiO₂ heterojunctie bereikt piëzo-elektrisch verbeterde PEC-prestaties (2,84 keer hoger dan TiO₂ bij 1,23 V vs. RHE).

"Gebaseerd op de koppeling met piëzo-elektrisch effect en p-n-overgangen, biedt ons werk een piëzo-elektrische polarisatiestrategie voor het moduleren van het ingebouwde elektrische veld van heterojunctie voor verbetering van de ladingsscheiding", voegt senior en corresponderende auteur Lun Pan toe.

Meer informatie: Minhua Ai et al, Piëzo-elektrisch verbeterde n-TiO2/BaTiO3/p-TiO2 heterojunctie voor zeer efficiënte foto-elektrokatalyse, Groene energie en milieu (2023). DOI:10.1016/j.gee.2023.12.001

Aangeboden door KeAi Communications Co.