Een onderzoeksteam bestaande uit leden van het Egyptian Petroleum Research Institute en het Functional Materials Engineering Laboratory van de Toyohashi University of Technology heeft een nieuwe hoogwaardige foto-elektrode ontwikkeld door een zinkoxide nanopagode-array met een unieke vorm op een transparante elektrode te construeren en aan te brengen zilveren nanodeeltjes naar het oppervlak.

De zinkoxide-nanopagode wordt gekenmerkt door veel stapstructuren, aangezien deze bestaat uit stapels zeshoekige prisma's van verschillende grootte. Bovendien vertoont het zeer weinig kristaldefecten en een uitstekende elektronengeleiding. Door het oppervlak te versieren met zilveren nanodeeltjes, krijgt de zinkoxide-nanopagode-array-foto-elektrode eigenschappen voor het absorberen van zichtbaar licht, waardoor deze kan functioneren onder zonlicht.

Foto-elektrochemische watersplitsing met behulp van zonlicht zal naar verwachting worden gebruikt als technologie om schone energie in de vorm van waterstof te produceren. Als belangrijke materialen voor deze technologie moeten foto-elektroden een lage overpotentiaal hebben tegen watersplitsingsreacties, naast een hoge efficiëntie van zonne-energieabsorptie en ladingsoverdracht.

Voor praktische toepasbaarheid kan deze technologie geen zeldzame metalen als primaire materialen gebruiken en moet het fabricageproces worden geïndustrialiseerd; Materialen die aan deze eisen voldoen zijn echter nog niet ontwikkeld.

Dienovereenkomstig concentreerde het onderzoeksteam zich uitsluitend op de zinkoxide-nanopagode-array, omdat dergelijke arrays goedkoop te produceren zijn, een hoge elektronengeleidingsvermogen hebben en niet kwetsbaar zijn voor uitputting van grondstoffen. Aanvankelijk werden zinkoxide nanopagode-arrays als moeilijk te fabriceren met goede reproduceerbaarheid beschouwd.

Onder leiding van Marwa Abouelela, een derdejaars doctoraatsstudente die ook de hoofdauteur is van het artikel gepubliceerd in Electrochemistry Communications —het team optimaliseerde eerst het syntheseproces om een ​​hoge reproduceerbaarheid te garanderen. Toen de foto-elektrochemische eigenschappen van de verkregen foto-elektrode werden geëvalueerd, werd waargenomen dat er een relatief grote fotostroom ontstond onder pseudo-zonlichtbestraling.

Naast de hoge efficiëntie van de ladingsoverdracht die gepaard gaat met een lage defectdichtheid en een hoge chemische reactieactiviteit op het oppervlak in veel stappen, heeft een elektromagnetische veldanalyse onthuld dat de unieke nanostructuur van de nanopagode op efficiënte wijze de ultraviolette straling in het invallende licht kan opvangen.

Om het effectieve gebruik van zichtbaar licht, dat 55% van het zonlicht uitmaakt, te garanderen, heeft het onderzoeksteam de foto-elektrochemische eigenschappen verder verbeterd door het oppervlak van de zinkoxide-nanopagode te decoreren met zilveren nanodeeltjes die gelokaliseerde oppervlakte-plasmonresonantie vertonen, waardoor de fotostroom met ongeveer 1,5 keer toeneemt. .

Het actiespectrum van de fotostroomwaarde geeft aan dat deze verbetering voornamelijk wordt toegeschreven aan de hete elektronenoverdracht veroorzaakt door de absorptie van zichtbaar licht door de gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie van zilveren nanodeeltjes. Door de toepassing van zilveren nanodeeltjes te optimaliseren, werd het mogelijk om alleen de foto-elektrochemische eigenschappen te verbeteren en tegelijkertijd nadelige effecten op de eigenschappen van de nanopagode zelf te voorkomen.

Universitair hoofddocent Go Kawamura, een van de corresponderende auteurs, zei:"Zinkoxide-nanopagodes kwamen alleen in aanmerking voor toepassing op elektronenkanonemitters, waarbij gebruik werd gemaakt van hun hoge ladingsoverdrachtsefficiëntie. Omdat de structuur echter uit vele stappen bestaat, was ons oorspronkelijke idee dat dit zo is zeer actief tegen chemische reacties aan het oppervlak en kan geschikt zijn voor het katalyseren van foto-elektrochemische reacties."

"Nadat we erin waren geslaagd de nanopagode te fabriceren, probeerden we de efficiëntie van het zonlichtgebruik te verbeteren door zilveren nanodeeltjes toe te passen die gelokaliseerde oppervlakte-plasmonresonantie vertonen, en het effect te evalueren door middel van elektromagnetische veldanalyse; er werd echter ontdekt dat de zinkoxide-nanopagode invallend licht opvangt , vooral ultraviolette straling, in het binnenste. Hoewel dit volkomen onverwacht was, was het een gelukkige ontdekking, aangezien deze eigenschap bijdraagt ​​aan de verbetering van de foto-elektrochemische eigenschappen."

Toekomstperspectief

Momenteel leiden Marwa en studenten van hetzelfde laboratorium een ​​onderzoek naar het effect van nauwkeurige structurele controle van zinkoxide-nanopagodes, evenals oppervlaktedecoratie met andere materialen, op de foto-elektrochemische eigenschappen van genoemde pagodes. Omdat zinkoxide gevoelig is voor fotocorrosie, is het op zichzelf niet bestand tegen langdurige zonnestraling, waardoor we ons hebben geconcentreerd op het verbeteren van de duurzaamheid via oppervlaktedecoratie.

Nadat zowel hoge foto-elektrochemische eigenschappen als duurzaamheid zijn bereikt, is het team van plan watersplitsende waterstofproductie uit te voeren in een echte omgeving (ontleding van rivierwater of zeewater door zonlicht).

Meer informatie: Marwa Mohamed Abouelela et al, Ag-nanodeeltjes versierde ZnO-nanopagodes voor foto-elektrochemische toepassing, Elektrochemiecommunicatie (2023). DOI:10.1016/j.elecom.2023.107645

Journaalinformatie: Elektrochemische communicatie

Aangeboden door de Toyohashi Universiteit voor Technologie