Το γραφένιο βελτιώνει την αποτελεσματικότητα της διάσπασης του ηλιακού νερού ημιαγωγών
Ο φωτισμός των πόλεων και των πόλεων μας, τα οχήματα που οδηγούμε, ακόμη και η φόρτιση και η τροφοδοσία ηλεκτρονικών συσκευών εξαρτώνται από την ενέργεια από τα καύσιμα. Καθώς ο κόσμος απομακρύνεται από τις παραδοσιακές πηγές ορυκτών καυσίμων, υπάρχει ανάγκη για βιώσιμες «πράσινες» πηγές καυσίμων για την παροχή ενέργειας.
Υδρογόνο (H2 ) έχει αναδειχθεί ως ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα βιώσιμα καύσιμα:έχει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα (120 MJ/kg) και καίγεται καθαρά, παράγοντας μόνο νερό και θερμότητα ως υποπροϊόντα. Ωστόσο, H2 δεν υπάρχει φυσικά στη γη, και το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου παράγεται με αναμόρφωση φυσικού αερίου, η οποία θεωρείται σε μεγάλο βαθμό ως μια μη βιώσιμη μακροπρόθεσμη μέθοδος παραγωγής. Καθώς ο ήλιος είναι ένας από τους απροσδιόριστους πόρους της γης, δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι η ηλιακή παραγωγή υδρογόνου είναι μια επιθυμητή πορεία προς τα εμπρός.
Η ηλιακή υποβοηθούμενη διάσπαση νερού (επίσης γνωστή ως φωτοηλεκτροχημική διάσπαση νερού) είναι η διαδικασία χρήσης της ενέργειας του ήλιου και ενός καταλύτη για τη διάσπαση του νερού (H2 Ο) σε υδρογόνο και οξυγόνο. Αυτή η αντίδραση διάσπασης του νερού δεν παράγει αέρια θερμοκηπίου ή επικίνδυνα υποπροϊόντα και θα μπορούσε να προσφέρει μια οδό για βιώσιμη παραγωγή υδρογόνου. Από πολλούς φωτοδραστικούς καταλύτες, ο κρύσταλλος του οξειδίου του σιδήρου είναι γνωστός ως αιματίτης είναι ένα από τα πιο ελκυστικά υλικά για τη μελέτη αυτής της αντίδρασης. Είναι σε θέση να απορροφά φως σε μεγάλο μέρος του ηλιακού φάσματος, δίνοντάς του μια θεωρητική απόδοση μετατροπής ηλιακού σε υδρογόνο 15%. Επιπλέον, είναι φθηνό, άφθονο, μη τοξικό και καλά τοποθετημένο για να εκτελέσει τη δύσκολη ημιαντίδραση της έκλυσης οξυγόνου. Ωστόσο, ο αιματίτης δεν αποδίδει πειραματικά σε σύγκριση με την υπόσχεσή του, σε μεγάλο βαθμό λόγω των κακών ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του, όπως οι υψηλοί ρυθμοί ανασυνδυασμού φορτίου και οι αργοί ρυθμοί αντίδρασης στην επιφάνειά του.
Είναι δυνατόν να τροποποιηθεί η επιφάνεια του αιματίτη και να βελτιωθεί η ικανότητά του να εκτελεί την αντίδραση διάσπασης νερού; Ναί. Στην πραγματικότητα, αρκετοί ερευνητές έχουν αποδείξει ότι οι ανόργανες και οργανικές επικαλύψεις επιφανειών έχουν αυτό το αποτέλεσμα. Συγκεκριμένα, οι επικαλύψεις άνθρακα έχουν δείξει μεγάλες δυνατότητες αύξησης της απόδοσης του αιματίτη (μετρούμενο από την τιμή της πυκνότητας φωτορεύματός του). Αλλά ο μηχανισμός με τον οποίο αυτές οι επικαλύψεις άνθρακα βελτιώνουν τον αιματίτη είναι ελάχιστα κατανοητός. Στην πρόσφατη εργασία μας, προτείνουμε και μελετάμε την επίδραση ενός ατομικού στρώματος άνθρακα (γραφενίου) ως επικάλυψης στον αιματίτη σε μια προσπάθεια να αποκαλύψουμε αυτόν τον μηχανισμό.
Το γραφένιο έχει ιδιότητες μοναδικές από άλλους τύπους άνθρακα που το καθιστούν μια καλή δυνητική επικάλυψη τόσο για τη βελτίωση ενός φωτοηλεκτρόδιου όσο και για τη μελέτη του μηχανισμού πίσω από αυτή τη βελτίωση. Οι φορείς φορτίου υψηλής κινητικότητας του μπορεί να βοηθήσουν στην αντιστάθμιση των κακών ηλεκτρικών ιδιοτήτων του αιματίτη. είναι αδρανές και επομένως σταθερό στο περιβάλλον διάσπασης του νερού. Το γραφένιο μιας στρώσης μπορεί να συντεθεί αξιόπιστα μέσω μιας μεθόδου χημικής εναπόθεσης ατμών και να μεταφερθεί εύκολα στην επιφάνεια ενός φωτοκαταλύτη, επιτρέποντας την εύκολη και αναπαραγώγιμη κατασκευή.
Η επίστρωση γραφενίου βελτιώνει την ικανότητα του αιματίτη να καταλύει την αντίδραση διάσπασης του νερού:η πυκνότητα φωτορεύματος αυξάνεται 1,6 φορές με καλή αναπαραγωγιμότητα παρουσία γραφενίου σε σύγκριση με το γυμνό φωτοηλεκτρόδιο.
Για περαιτέρω διερεύνηση του ρόλου της επικάλυψης γραφενίου, πραγματοποιούνται κινητικές μελέτες. Η συνολική απόδοση της αντίδρασης εξαρτάται από δύο σταθερές ρυθμού:πόσο γρήγορα μεταφέρονται φορτία από την επιφάνεια στην αντίδραση διάσπασης νερού (ρυθμός μεταφοράς φορτίου, ktrans ) και πόσο γρήγορα ανασυνδυάζονται οι φορτίσεις (krec ) (που απεικονίζεται στο σχήμα 1). Βρήκαμε ότι ο ρυθμός μεταφοράς φορτίου στην πραγματικότητα μειώνεται παρουσία γραφενίου. Όσον αφορά τον ρυθμό ανασυνδυασμού φορτίου, παρατηρείται δραματική μείωση.
Για παράδειγμα, σε ένα δεδομένο δυναμικό, τα φορτία στην επιφάνεια του γυμνού αιματίτη που μελετάται εδώ ανασυνδυάζονται με ρυθμό 71 sec, ενώ ο επικαλυμμένος με γραφένιο αιματίτης έχει ρυθμό ανασυνδυασμού 13 sec. Αυτή η ουσιαστική μείωση στον ανασυνδυασμό έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη απόδοση φορέων φορτίου για συμμετοχή στην αντίδραση διάσπασης νερού, η οποία είναι πιθανώς μια υποκείμενη αιτία της βελτιωμένης απόδοσης. Συνολικά, αυτό αυξάνει την απόδοση μεταφοράς φορτίου της αντίδρασης κατά 8%.
Συμπερασματικά, ένα φωτοηλεκτρόδιο αιματίτη επικαλυμμένο με γραφένιο μπορεί να κατασκευαστεί μεταφέροντας γραφένιο μονής στρώσης στην επιφάνεια του αιματίτη, το οποίο δείχνει υψηλότερη αποτελεσματικότητα της ημιαντίδρασης διάσπασης του νερού. Ενώ ο αιματίτης ήταν το δοκιμαστικό υλικό που επιλέχθηκε για αυτήν τη μελέτη, πιστεύουμε ότι το γραφένιο και άλλες επικαλύψεις με βάση τον άνθρακα μπορεί να είναι χρήσιμα για τη μείωση του ανασυνδυασμού της επιφάνειας και τη βελτίωση των καταλυτικών ιδιοτήτων μιας σειράς φωτοηλεκτροδίων ημιαγωγών. Η κατανόηση της αντίδρασης διάσπασης του νερού και των μηχανισμών για τη βελτίωσή της είναι απαραίτητη για τον τελικό σχεδιασμό υψηλής απόδοσης, εμπορικά βιώσιμα φωτοηλεκτρόδια και φωτοηλεκτροχημικά στοιχεία για βιώσιμη παραγωγή καυσίμου υδρογόνου.
