Neue Hybrid-Photokatalysatoren für die Wasserspaltung mit einer internen Quanteneffizienz von über 100%

5. Mai 2023 feature

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Da Wasserstoff in Brennstoffzellen elektrische Energie erzeugen kann, könnten skalierbare Methoden zur zuverlässigen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff wertvolle Auswirkungen auf die Energiewirtschaft haben. Diese Methoden könnten dazu beitragen, große Mengen an Wasserstoff für nachhaltigere Energielösungen herzustellen und so dazu beitragen, die Treibhausgasemissionen auf der Erde zu reduzieren.

Einer der Ansätze zur Spaltung von Wassermolekülen in Wasserstoff und Sauerstoff erfordert die Verwendung von Photokatalysatoren, Materialien, die Licht absorbieren und dessen Energie nutzen können, um chemische Reaktionen zu initiieren. Dieser Ansatz besteht im Wesentlichen darin, diese Materialien mit Licht zu bestrahlen, wodurch die Reaktion ausgelöst wird, durch die Wassermoleküle zu Wasserstoff und Sauerstoff werden.

Forscher der Northwestern Polytechnical University in China haben kürzlich neue Hybrid-Photokatalysatoren eingeführt, die eine bemerkenswerte interne Quanteneffizienz oberhalb von 100% aufweisen. Diese Materialien, die in einem Paper in Nature Energy vorgestellt wurden, konnten einige der Nachteile der zuvor vorgeschlagenen photokatalytischen Systeme für Wasserspaltungsprozesse überwinden.

'In den letzten zehn Jahren haben Forscher zahlreiche Versuche unternommen, eine Solar- zu Wasserstoffeffizienz von mehr als 10% zu erreichen, was eine wettbewerbsfähige Benchmark-Effizienz auf dem Wasserstoffmarkt darstellt', sagte Dr. Xuanhua Li, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Tech Xplore.

'Um dieses Ziel zu erreichen, muss die interne Quanteneffizienz (das Verhältnis der Anzahl von einfallenden Photonen, die zur zweifachen Menge an produziertem Wasserstoff absorbiert werden, während der photoelektrokatalytischen Wasserspaltung) des Photokatalysators während der photoelektrokatalytischen Wasserspaltung eine mäßig hohe Wertigkeit erreichen (ideal > 100 %) über einen weiten Bereich von Anregungswellenlängen hinweg.'

Verschiedene vergangene Studien haben versucht, nützliche Strategien zur Verbesserung der Quanteneffizienz von Photokatalysatoren und photoelektrischen Geräten zu entwickeln, da die meisten zuvor gemeldeten Effizienzen nicht ausreichten, um eine weit verbreitete Verwendung von Wasserspaltungsprozessen zu ermöglichen. Eine Strategie, die sich als besonders vielversprechend erwies, nutzt den sogenannten Multi-Exziton-Generierungseffekt (MEG), bei dem ein Nanokristall-Quantenpunkt ein einzelnes Photon absorbiert, um mehrere Exzitonen zu erzeugen.

"Zum Beispiel zeigte eine Studie, dass die Quanteneffizienz von Bleisalz-Nanokristallen in etwa linear mit der Pump-Photonen-Energie ansteigt und eine maximale Quanteneffizienz von bis zu 700% aufweist", erklärte Dr. Li. "Wie in früheren Arbeiten gezeigt wurde, kann die Abscheidung der PbS-Quantenpunkte auf der Oberseite von fluoridhaltigem Zinnoxid/TiO2 durch einen Schicht-für-Schicht-Ansatz eine IQE erreichen, die in photoelektrochemischen Zellen für die Wasserstoffproduktion 100% übersteigt. Im Vergleich zu photoelektrischen Geräten sind Demonstrationsversuche des MEG-Effekts jedoch in partikulären photokatalytischen Wasserspaltungs-Systemen aufgrund des Additionsvorgangs für elektrische Energie zu Wasserstoffenergie noch selten."

Das Hauptziel der jüngsten Arbeit von Dr. Li und seinen Kollegen war es, neue Photokatalysatoren für effizientes Wasserspalten zu entwerfen, die den MEG-Effekt nutzen. Ihre Hoffnung war, dass die interne Quanteneffizienz dieser Materialien mehr als 100% übersteigen würde, was sie zu einer tragfähigen Lösung für die skalierbare Produktion von Wasserstoff machen würde.

Um diese effizienten Photokatalysatoren zu konstruieren, mussten die Forscher ein starkes interfaciales Eingebettetes elektrisches Feld und einen interfacialen Fallezustand konstruieren. Dies würde wiederum eine ausreichende Triebkraft für sie bereitstellen, um den Multi-Exziton-Generierungseffekt im photoelektrokatalytischen Wasserspalten zu nutzen.

'Wir haben Hybrid-Photokatalysatoren entwickelt, die aus CdTe-Quantenpunkten und V-dotiertem In2S3 (CdTe/V-In2S3) bestehen", sagte Dr. Li. "Insbesondere führt eine Erhöhung der Quantenpunktgröße und des V-Dopantengehalts zu einer Abwärtsverschiebung des Fermi-Niveaus der CdTe-Quantenpunkte und einer Aufwärtsverschiebung des Fermi-Niveaus von V-In2S3, was zu einem Anstieg der Fermi-Niveaudifferenz und somit zu einer 14,14-fachen Erhöhung der Intensität des Eingebetteten elektrischen Felds am CdTe/V-In2S3-Interface führt. Gleichzeitig wurde ein interfacialer Zustand aus In 5s- und S 3p-Orbitalen an der CdTe/V-In2S3-Schnittstelle erzeugt.'

The excitation of a CdTe quantum dot in the team's photocatalyst during the photocatalytic process results in the generation of a hot electron and a hole. Driven by the materials' built-in electric field, the hot electron in the conduction band of the CdTe quantum dot is transported from CdTe to V-In2S3 and ultimately trapped at the CdTe/V-In2S3 interface, in an interfacial state made up of In 5s and S 3p orbitals.

'Unlike traditional photocatalyst, the strong built-in electric field and interfacial state at the CdTe/V-In2S3 interface slow the relaxation rate of the hot electrons, enabling hot electrons with sufficient excess energy to undergo MEG,' Dr. Li said. 'Ultimately, the photocatalyst exhibits an internal quantum efficiency of about 114% at an excitation wavelength of 350 nm, which to our knowledge is the highest value among reported photocatalysts for overall water splitting. Our optimization of the interfacial built-in electric field and interfacial state, paves a way for the effective utilization of MEG in photocatalytic water splitting.'

In initial evaluations, the hybrid photocatalysts designed by this team of researchers achieved very promising results, exhibiting higher internal quantum efficiencies than all previously proposed photocatalysts for water splitting. In the future, this recent work could pave the way for the large-scale implementation of photocatalytic water splitting.

The design strategy presented by Dr. Li and his colleagues also opens new possibilities for the design of photocatalytic devices that operate in the MEG regime. This could soon lead to the development of additional materials and solutions with increasingly high quantum and solar-to-hydrogen efficiencies, which could further promote the use of solar energy to produce hydrogen.

'It should be noted that the photocatalytic overall water splitting ability of CdTe/V-In2S3 might be limited by the competition for light absorption between V-In2S3 and the CdTe quantum dots,' Dr. Li added. 'Moreover, achieving high quantum efficiency over a wide range of wavelengths is crucial to1advancing the practicality of this technology. To further advance this research, we aim to develop more efficient photocatalysts with larger built-in electric field intensities and multiple valence band interfacial states, such as by constructing a Janus structure.'

In their next studies, Dr. Li and his colleagues also plan to create new non-MEG/MEG heterojunctions with a broad absorption range. By combining wavelength-complementary MEG components with non-MEG components, they hope to further improve the photocatalysts' overall performance.

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