Фотоелектрод для отримання водню покращився з часом
Американські матеріалознавці зробили фотоелектрод, ефективність якого поліпшується з часом. Виявилося, що в процесі електролізу покриття з нітрида галію частково перетворюється на оксинітрид галію, тому адсорбція іонів на поверхню відбувається легше. Результати дослідження опубліковані в журналі
Отримання водню за допомогою фотоелектролізу води ще називають штучним фотосинтезом. Так само, як і природний фотосинтез, цей процес дозволяє запасати сонячну енергію впрок, отримуючи за її допомогою різні види палива, які можна використовувати пізніше. Пристрій для фотоелектролізу складається з двох частин - напівпровідник, на якому відбувається поглинання сонячного світла і генерація носіїв заряду, і електрокаталізатор, який забезпечує екстракцію носіїв заряду і адсорбцію іонів з розчину. Серед напівпровідників кращу ефективність показує кремній Si, проте поки що фотоелектроди на його основі дуже нестабільні і схильні до процесу фотокорозії. Тому вчені намагаються підібрати в пару до кремнію такий електрокаталізатор, який би захищав його від фотокорозії. Один з перспективних матеріалів - нітрид галію GaN. Вчені вже відзначали, що покриття з нітрида галію показують хорошу стабільність, однак, як саме відбувається стабілізація, було неясно.
Американські матеріалознавці під керівництвом Франческі Тома (Francesca M. Toma) з Університету Берклі розібралися, що відбувається з нітридом галію в процесі електролізу і зуміли отримати фотоелектрод, ефективність якого в процесі роботи стає тільки вищою. Вчені підготували стандартні кремнієві пластини з одним p-n переходом, а потім нанесли на них шар нітрида галію завтовшки 100 нанометрів. У процесі електролізу Si/GaN є катодом (негативним електродом). До нього рухаються позитивно заряджені іони водню і відновлюються, перетворюючись на незаряджений водень H2. Томи і її колеги простежили за роботою електрода і з'ясували, що багато характеристик Si/GaN фотоелектрода в процесі роботи поліпшуються. Наприклад, фарадіївська ефективність (параметр, який показує, яка частина електронів витрачається на відновлення водню) на початку процесу була близько 85 відсотків, проте вже через дві години вона зростала майже до 100 відсотків і надалі не опускалася нижче 95 відсотків. При цьому газова хроматографія підтвердила, що ніякі інші гази крім водню і кисню в реакції не утворювалися.
Метод імпедансної спектроскопії показав, що за десять годин роботи опір поверхні нітрида галію знизився з 600 до 100 Ом, тобто перенесення зарядів між електродом і розчином став протікати помітно легше. Щоб з'ясувати, як це сталося, Тома і її колеги вивчили поверхню двох фотоелектродів - свіжого і після десяти годин роботи - методами скануючої трансмісійної електронної мікроскопії в поєднанні зі спектроскопією характеристичних втрат енергії електронами і рентгенівською фотоелектронною спектроскопією, а також провели квантово-хімічні розрахунки. Виявилося, що процес електролізу частина азоту в нітриді галію замінюється на кисень, і нітрид галію перетворюється на оксинітрид. Шар оксонітриду дуже тонкий - менше п'яти нанометрів, углиб шару нітриду галію кисень не проникає. Кисень на поверхні утворює додаткові каталітичні центри, до яких може підійти іон водню, тому енергія адсорбції водню знижується, і електроліз відбувається більш ефективно.
Квантово-хімічні розрахунки також показали, що утворення плівки оксинітрида галію стабілізує поверхню. За перші дві години кисень встигає замістити частину азоту на поверхні нітрида галію, потім процес фотокорозії сповільнюється і електрод консервується в такому стані на тривалий час. Томи та її колеги опромінювали фотоелектрод світлом з інтенсивністю 3,5 сонця протягом 150 годин, і його ефективність залишалася незмінною.
Наприкінці минулого року китайські вчені змогли поліпшити матеріал для фотоаноду за допомогою сульфатредуціюючих бактерій, Як з'ясувалося, бактерії покривають поверхню електрода сульфідом заліза, який полегшує адсорбцію кисень-містних частинок. У результаті значення анодного перенапруги було майже на 220 мілівольтів нижче, ніж без обробки бактеріями.