Оценка локального потока кислорода, возникающего при фотоэлектрохимическом окислении гидроксидов, методом сканирующей электрохимической микроскопии.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5019 (2023) Цитировать эту статью

480 доступов

Подробности о метриках

Было разработано несколько электрохимических подходов in-situ для проведения локализованного фотоэлектрохимического исследования фотоанода. Одним из методов является сканирующая электрохимическая микроскопия (СЭКМ), которая исследует кинетику локальных гетерогенных реакций и потоки образующихся частиц. В традиционном SECM-анализе фотокатализаторов оценка влияния радиации на скорость изучаемой реакции требует дополнительного эксперимента на темном фоне. Здесь, используя СЭХМ и инвертированный оптический микроскоп, мы демонстрируем определение потока O2, вызванного фотоэлектрокаталитическим расщеплением воды под действием света. Фотокаталитический сигнал и темный фон регистрируются на одном SECM-изображении. В качестве модельного образца использовался оксид индия и олова, модифицированный гематитом (α-Fe2O3) методом электроосаждения. Световой поток кислорода рассчитывается путем анализа изображения SECM, записанного в режиме генерации подложки/сбора наконечника. В фотоэлектрохимии качественные и количественные знания об выделении кислорода откроют новые двери для понимания локальных эффектов примесей и поглотителей дырок простым и традиционным способом.

Различные катализаторы были опробованы для снижения электрической энергии, необходимой для расщепления воды в случае получения возобновляемой энергии с использованием электролиза воды в присутствии света1,2. При проведении реакции выделения водорода (РЕВ) общая скорость процесса (расщепления воды) часто ограничивается скоростью процесса, происходящего на втором электроде. Поэтому эффективность фотоанода имеет важное значение. Поскольку окисление воды является термодинамически более сложной задачей, чем восстановление воды до водорода, исследования фотоанодов более приветствуются3. Демонстрируя снижение перенапряжения и/или более высокий фотокаталитический ток, многие типы материалов в их неизмененных или модифицированных формах были оценены на предмет эффективного окисления воды4,5,6. Эффективная разработка фотоанодов, расщепляющих воду, помимо традиционных фотоэлектрохимических измерений, требует быстрого определения характеристик поверхности на месте.

Один из электрохимических методов in-situ, сканирующая электрохимическая микроскопия (СЭХМ), использовался для локального анализа поверхностей фотоанодов7,8,9,10,11,12,13,14. Для разработки технологии СЭХМ использовались разные подходы, в частности метод освещения, который позволяет проводить простой и понятный анализ поверхности с высоким пространственным и временным разрешением, начиная от освещения большой площади анализируемых фотокатализаторов и заканчивая локальным освещением области, подвергаемой СЭХМ-анализу. лазером или с использованием наконечника SECM в качестве оптического волокна14. Многочисленные дефекты, в том числе частичное затенение фотоактивной поверхности ультрамикроэлектродом и легкое перенасыщение электролита образующимся газом, выявляются при крупномасштабном освещении, особенно с верхней стороны. Были внесены различные обновления в установку СЭХМ, в частности, микроэлектроды для местного освещения. Кольцевая конструкция микроэлектрода с коаксиальным внутренним оптическим волокном для локального освещения ограничивает разрешение электрохимической визуализации10,14,15. Кроме того, этот метод модификации микроэлектродов требует времени и сложного производственного процесса. Другим методом локального освещения образца, анализируемого СЭХМ, чтобы избежать затенения наконечником СЭКМ, является доставка света через изолирующую стеклянную оболочку микроэлектрода16. Этот подход позволяет регистрировать фототок образца и ток иглы, соответствующий фарадеевскому сбору продукта (например, O2) фотокаталитической реакции, генерируемой в образце, как в зависимости от положения бокового зонда. Однако получение количественной информации о местном потоке произведенной продукции является сложной задачей. Выделение кислорода предоставляет количественную информацию о фотоэлектрохимическом процессе в виде потока образующегося продукта. Таким образом, крайне важно измерять выделяющийся кислород индивидуально и количественно, чтобы понять истинную эффективность фотоанода. При использовании наконечника электрода SECM требуется более простой метод анализа поверхности фотоанода, который обеспечивает качественное и количественное фотогенерирование O2.