Inżynieria powierzchni jako strategia poprawy wydajności fotoanod WO3 w fotoelektrochemicznym rozkładzie wody

W czasopiśmie „ACS Applied Materials & Interfaces” ukazał się artykuł naukowy pt. „Hydrothermal Surface Engineering of Anodic WO₃ Photoelectrode by Simultaneous Iron Doping and Fe₃O₄/FeWO₄ Formation”, którego autorami są członkowie Zespołu Elektrochemii Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego: dr Piyali Chatterjee, mgr Daniel Piecha, mgr Sebastian Kotarba, dr Karolina Syrek oraz prof. dr hab. Grzegorz Sulka. Praca powstała we współpracy z dr. hab. inż. Marcinem Pisarkiem, prof. ICHF PAN, z Laboratorium Analiz Powierzchni Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie.

Energia słoneczna to najczystsze i jedno z najobficiej dostępnych źródeł energii odnawialnej, a dzięki swojej powszechności jest uznawana za wyjątkowo atrakcyjne rozwiązanie dla przyszłej energetyki. Jednym ze sposobów jej wykorzystania są ogniwa fotoelektrochemiczne (PEC), które pozwalają przekształcać światło słoneczne w energię chemiczną i magazynować ją w formie zrównoważonych nośników energii, takich jak wodór. W działającym ogniwie PEC pod wpływem światła słonecznego dochodzi do rozszczepienia cząsteczek wody na tlen i wodór. Proces ten zachodzi na elektrodach wykonanych z półprzewodników i nie wymaga żadnych paliw kopalnych − powstaje czysty wodór, który można potem wykorzystać jako ekologiczne paliwo. Kluczowym wyzwaniem w tej technologii jest jednak znalezienie stabilnych i wydajnych materiałów elektrodowych, które mogą skutecznie przekształcać energię świetlną w energię chemiczną. Tlenek wolframu, typowy półprzewodnik typu n, jest dobrze znanym materiałem fotoanodowym, jednak jego naturalne ograniczenia – m.in. niska wydajność transportu ładunku, słaba absorpcja światła widzialnego czy ograniczona powierzchnia reaktywna – utrudniają jego praktyczne zastosowanie.

W odpowiedzi na te wyzwania badacze z Zespołu Elektrochemii zaproponowali innowacyjną metodę hydrotermalnej modyfikacji powierzchni elektrod WO₃ otrzymanych metodą anodowego utleniania (anodyzacji) w celu utworzenia ko-katalizatora zawierającego fazy związków Fe, takie jak Fe₃O₄ czy FeWO₄. Są to przykłady półprzewodników typu p, które włączone w strukturę WO₃ mogą tworzyć heterozłącza typu p-n. Tego typu struktury mogą poszerzać zakres absorpcji światła widzialnego i wspomagać separację nośników ładunku (elektronów odpowiedzialnych za proces katodowego wydzielania wodoru oraz dziur h+ biorących udział w procesie anodowego wydzielania tlenu) wytworzonych w materiale fotoanody w trakcie jej naświetlania światłem słonecznym.

Opracowana metoda hydrotermalnej modyfikacji WO₃ przyczyniła się do zmian w morfologii fotoanod oraz składu fazowego. Charakterystyka optyczna zmodyfikowanych materiałów wskazała obniżenie wartości przerwy energetycznej w porównaniu do niemodyfikowanego WO₃, co wskazuje na poszerzoną absorpcję światła w zakresie widzialnym. Pomiary wydajności konwersji fotonu na prąd (IPCE) potwierdzają znacznie lepszą efektywność zmodyfikowanych fotoanod w zakresie światła widzialnego. Pomiary woltamperometryczne prowadzone podczas naświetlania materiałów symulowanym światłem słonecznym wykazały zdecydowanie wyższą aktywność fotoelektrochemiczną zaprojektowanych materiałów, co jest bezpośrednio wynikiem obecności domieszek Fe oraz faz Fe₃O₄ i FeWO₄. Dodatkowo badania z wykorzystaniem elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) wykazały kilkukrotne zmniejszenie oporu przeniesienia ładunku na granicy faz elektroda/elektrolit w zmodyfikowanych materiałach, co świadczy o znacznie poprawionej efektywności separacji par nośników elektron-dziura. Ponadto autorzy zastosowali spektroskopię fotoelektronów (XPS), która ujawniła znacznie wyższy poziom defektów powierzchniowych postaci wakancji tlenowych, mogących pełnić rolę efektywnych miejsc katalitycznych w reakcji rozszczepiania cząsteczek wody.

Badania przedstawione w tej pracy zostały zrealizowane w ramach projektu „Polonez Bis 3” (2022/47/P/ST5/00813), kierowanego przez dr Piyali Chatterjee i finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki.

Źródło: Wydział Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie

Czytaj także: Świetlana droga w chemii związków glinu