Sitios de ingeniería de un solo átomo Ni-N₄-O en fotoánodos de semiconductores para la división fotoelectroquímica de...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Energía renovable

Sus antecedentes:

• La división de agua fotoelectroquímica directa (PEC) ofrece una ruta prometedora para la conversión de energía solar.
• La mejora del rendimiento de la PEC está limitada de manera crítica por las eficiencias intrínsecas del transporte de carga.
• La separación y transferencia eficientes de la carga son esenciales para optimizar la división del agua PEC.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar una nueva estrategia de acoplamiento para diseñar sitios de Ni-N4-O dispersos atómicamente.
• Mejorar la separación de electrones por agujero fotogenerados y mejorar la actividad del PEC.
• Para crear un fotoánodo estable y eficiente para la división directa del agua solar.

Principales métodos:

• Incorporación de sitios de Ni-N4-O dispersos atómicamente entre un cocatalizador de evolución del oxígeno (OEC) y un fotoánodo semiconductor (BiVO4).
• Caracterización mediante análisis de la estructura fina por absorción de rayos X (XAFS).
• Investigación teórica mediante cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT).

Principales resultados:

• El fotoánodo OEC/Ni-N4-O/BiVO4 diseñado logró una densidad de fotocorriente récord de 6,0 mA cm−2 a 1,23 V frente a RHE.
• La densidad de fotocorriente fue aproximadamente 3,97 veces mayor que la de BiVO4 prístino.
• El fotoánodo demostró una fotoestabilidad excepcional a largo plazo.

Conclusiones:

• La fracción de Ni-N4-O monoatómica facilita la transferencia de agujeros y acelera la cinética de la reacción.
• Esta estructura de ingeniería reduce efectivamente las barreras de energía libre para la división del agua.
• El estudio presenta una vía eficaz para el diseño de fotoánodos eficientes y estables para la división de agua PEC.