Scissione solare stabile dell'acqua con materiale organico bagnabile

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4460 (2022) Citare questo articolo

3996 accessi

7 citazioni

13 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Gli strati protettivi sono essenziali affinché i fotocatodi a base di Si raggiungano la stabilità a lungo termine. Gli strati protettivi inorganici convenzionalmente utilizzati, come il TiO2, devono essere privi di fori di spillo per isolare il Si dalla soluzione corrosiva, il che richiede tecniche di deposizione di altissima qualità. D’altro canto, gli strati protettivi organici idrofobici soffrono del compromesso tra densità di corrente e stabilità. Questo articolo descrive la progettazione e la fabbricazione di uno strato protettivo organico ibrido discontinuo con bagnabilità superficiale controllabile. Lo strato idrofobo sottostante induce la formazione di sottili strati di gas nei pori discontinui per isolare l'elettrolita dal substrato di Si, consentendo al tempo stesso al co-catalizzatore Pt di entrare in contatto con l'elettrolita per la scissione dell'acqua. Nel frattempo, la superficie di questo strato organico viene modificata con gruppi ossidrili idrofili per facilitare il distacco delle bolle. Il fotocatodo ottimizzato raggiunge una fotocorrente stabile di 35 mA/cm2 per oltre 110 ore senza tendenza al decadimento.

La conversione dell'energia solare in combustibili chimici, come l'idrogeno, è un modo sostenibile per alleviare i problemi energetici e ambientali1. Il silicio (Si)2, vari ossidi metallici3 e semiconduttori III-V4,5 sono stati studiati per la scissione fotoelettrochimica (PEC) dell'acqua. Tra questi, il Si è uno dei candidati più attraenti per la reazione PEC di evoluzione dell'idrogeno (HER) grazie al suo basso costo, al bandgap adeguato e alla posizione del bordo della banda6. Tuttavia, il Si è suscettibile alla disattivazione in soluzioni acquose7,8,9. Per costruire un fotocatodo stabile a base di Si, la strategia prevalente è quella di introdurre uno strato metallico compatto o uno strato di ossido metallico mediante sputtering10 o deposizione di strato atomico (ALD)11 sulla superficie del Si per isolare il Si dall'elettrolita. Pertanto, questo strato protettivo compatto deve essere trasparente12, conduttivo13 e chimicamente stabile14 per consentire un fotocatodo durevole ed efficiente15. I film di TiO2 formati dall'ALD sono stati ampiamente utilizzati come strati protettivi per gli elettrodi PEC16,17,18. Tuttavia, il TiO2 diventerà instabile a potenziali molto negativi19 o sotto illuminazione UV20. Nel frattempo, studi precedenti hanno scoperto che il TiO2 cresciuto con ALD richiedeva uno spessore minimo di 50 nm per diventare privo di fori di spillo in senso stretto, a causa della presenza di particolato atmosferico sul substrato in un normale ambiente di laboratorio21,22,23,24, 25. Inoltre, è stata dimostrata anche la corrosione per vaiolatura corrispondente a fori di spillo26. Pertanto, la tradizionale strategia di isolamento che richiede uno strato privo di fori di spillo impone una limitazione sulla selezione del materiale e sul metodo di deposizione. Pertanto, è necessario sviluppare strategie27 che potrebbero ridurre il contatto Si-liquido con una tolleranza accettabile per i fori di spillo nello strato protettivo.

Oltre a isolare il substrato di Si dall'elettrolita con uno strato protettivo denso, è anche possibile diminuire il contatto Si-liquido aumentando l'idrofobicità del Si per ritardare il trasporto di liquidi vicino alla superficie28, il che potrebbe diminuire la velocità di corrosione29,30 . Tuttavia, la diminuzione del contatto Si-liquido diminuirà anche l'area attiva per le reazioni di scissione dell'acqua. Inoltre, studi precedenti avevano osservato che la maggior parte degli strati idrofobici erano scarsamente conduttivi31,32, mentre gli elettrodi idrofobici mostravano attività HER notevolmente inferiori rispetto agli elettrodi bagnabili33,34. Le scarse prestazioni degli elettrodi idrofobici potrebbero essere attribuite al fatto che una grande quantità di gas si svilupperebbe in grandi bolle sulla superficie durante l'HER35,36,37, causando una caduta di corrente dovuta alla copertura dei siti attivi dell'HER catalizzatori38. Pertanto, è altamente desiderato ma comunque impegnativo utilizzare uno strato idrofobo come strato protettivo impedendo al contempo la copertura delle bolle sui co-catalizzatori per ottenere reazioni superficiali efficienti.