Obestämd fotoelektrokemisk vattendelning som överstiger 7% sol-till-väteomvandlingseffektivitet med fotonåtervinning | naturkommunikation

Obestämd fotoelektrokemisk vattendelning som överstiger 7% sol-till-väteomvandlingseffektivitet med fotonåtervinning | naturkommunikation

Anonim

ämnen

  • Kemisk fysik
  • fotokatalys

Abstrakt

Olika tandemcellkonfigurationer har rapporterats för mycket effektiv och spontan väteproduktion från fotoelektrokemisk solvattensplitsning. Det finns emellertid en motsägelse mellan två huvudkrav för en främre fotoelektrod i en tandemcellkonfiguration, nämligen hög transparens och hög fotoledningsdensitet. Här demonstrerar vi en enkel men ändå mycket effektiv metod för att övervinna denna motsägelse genom att införliva en hybridledande distribuerad Bragg-reflektor på baksidan av det transparenta ledande substratet för den främre fotoelektrokemiska elektroden, som fungerar som både ett optiskt filter och en ledande motelektrod av den bakre färgämnssensibiliserade solcellen. De hybridledande distribuerade Bragg-reflektorerna konstruerades för att vara transparent för den långa våglängdsdelen av det infallande solspektrumet ( λ > 500 nm) för den bakre solcellen, medan de reflekterar fotvågorna med kort våglängd ( X <500 nm) som sedan kan absorberas av den främre fotoelektrokemiska elektroden för förbättrad generering av fotström.

Introduktion

Konventionella fotoelektrokemiska (PEC) tandemanordningar för oassisterade solvattensplitssystem består av en främre fotoelektrod för vattensplitning och en bakre fotovoltaisk cell 1, 2 . Sedan utformningen av en tandemcellkonfiguration för vattensplitning först föreslogs 1, 2, 3, har olika studier rapporterats 4, 5, och olika fotoanod 4, 6 / fotovoltaisk 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 kombinationer har testats för att optimera prestanda och effektivitet. Till exempel Shi et al . rapporterade en trådlös monolitisk fotoanode / färgämnesensibiliserad solcell (DSSC) tandemanordning 8 som kunde realisera oassisterat solvattensuppdelning med en hög sol-till-väte (STH) effektivitet (5, 7%). Ändå måste effektiviteten förbättras ytterligare till mer än 10% för att uppnå en livskraftig nivå för kommersialisering. För att uppnå en STH-effektivitet över 10% måste fotoelektroden i den främre cellen i tandemanordningar vara absorberande för att effektivt skörda fotoner från solen och samtidigt vara tillräckligt transparent för att mata den bakre cellen för oassisterad drift.

Typiskt absorberas den korta våglängdskomponenten i solstrålning huvudsakligen av PEC-fotoelektroden, och den återstående komponenten med lång våglängd kan skördas av den bakre solcellen (till exempel DSSC). Att öka PEC-fotoelektrodens transparens för bakcellen resulterar i en minskad fotströmsgenerering från den främre PEC-cellen. Detta resulterar i en otillfredsställande kompromiss med avseende på transparensen för att hitta en acceptabel balans mellan ljusabsorptionen från de främre och bakre fotoelektroderna genom användning av en halvtransparent PEC-fotoelektrod, vilket resulterar i en oundviklig begränsad användning av solspektrumet bakifrån cell 6, 7, 8, 9 . Inkorporera ett optiskt filter som kallas en distribuerad Bragg-reflektor (DBR) - bestående av flera lager av alternerande material med hög- och lågbrytningsindex som kan spegla den korta våglängdskomponenten i solstrålning för fotonåtervinning med PEC-fotoelektroden under överföring av den långa -våglängdskomponent för den bakre solcellen - in i tandemcellen skulle vara mycket fördelaktigt för ett effektivt utnyttjande av solljus. Det konventionella dielektriska DBR-ramverket har emellertid en icke-ledande karaktär, vilket begränsar dess användbarhet för monolitiska trådlösa tandemsystem, i vilka det också bör fungera som ett ledande underlag för motelektrod för den bakre solcellen. Ett antal studier på kombinationen av två tunnfilmsmaterial som är ledande och genomskinliga, men ändå har hög brytningsindexkontrast har utförts 14, 15, 16, men deras tillämpning i PEC-tandemcell med önskade optiska och elektriska egenskaper är fortfarande omogna och behövde studeras ytterligare.

Här demonstrerar vi oassisterade PEC-enheter för solvattendelande tandem med fotonåtervinnande hybridledande DBR: er (cDBR). Hybrid-cDBR-strukturerna består av växlande täta och porösa skikt av ledande indium-tennoxid-staplar (ITO) på ett konventionellt TiO2 / SiO2 DBR-ramverk. Dessa hybrid cDBR: er är optimerade för att uppvisa en hög reflektans för våglängder som är kortare än 500 nm för att återvinna fotoner för den främre PEC-cellen och en hög transmittans över 500 nm för effektiv drift av den bakre DSSC medan de bibehåller konduktivitet för att tjäna som motelektrod för den riktiga cellen. PEC / DSSC-tandemanordningen med hybrid-cDBR: er visar oövervakad väteutveckling med en STH-effektivitet på 7, 1%, vilket är den bästa prestanda som hittills erhållits från en oxidbaserad PEC-cell av n-typ.

Resultat

Koncept och design av hybrid cDBR: er

En schematisk beskrivning av PEC / DSSC tandemvattendelningsanordning med de bipolära elektroderna presenteras i fig. 1. För den vänstra delen är en sida en BiVO 4 / WO 3 fotoanode på fluordopad tennoxid (FTO) och andra sidan är en hybrid cDBR med yt-Pt-beläggning (räknare för DSSC). För den högra delen är den ena sidan färg / TiO 2 (anod för DSSC) och den andra sidan är Pt-lager som räknare för tandemanordningen. Hybrid cDBR består av växlande lager av täta och porösa ITO-skikt på TiO 2 / SiO 2 DBR-stacken med stoppbandskanten nära 500 nm. Tillverkningsprocessen beskrivs i detalj i avsnittet Metoder. När solljuset är infallande på tandemapparaten absorberar BiVO 4 / WO 3- fotoanoden främst foton med korta våglängder, både från det infallande ljuset och det återvunna ljuset som reflekteras av hybrid cDBR. Den längre våglängdskomponenten i solbestrålningen överförs genom BiVO 4 / WO 3- fotoanoden såväl som hybrid cDBR och absorberas av färgämnet / TiO 2- elektroden i den bakre DSSC. De optiska egenskaperna hos hybrid cDBR-strukturerna optimerades med användning av en genetisk algoritm (GA) 17, 18 och realiserades experimentellt med användning av tekniken för snedvinkelavsättning (OAD) för att ställa in brytningsindex för den ledande ITO på begäran 19 . De uppmätta brytningsindexen för de täta och porösa ITO-filmerna var 1, 92 respektive 1, 45 vid X = 550 nm, vilket indikerar tillräcklig brytningsindexkontrast för DBR-funktionen. För att identifiera en optimal hybrid-cDBR-struktur togs absorptionsspektra för BiVO 4 / WO 3- fotoanoden och färgämnet / TiO2-elektroden som användes i DSSC (fig. 2a) med i en siffra för merit för GA-optimeringen som visas i ekvation (1),

För den vänstra delen är baksidan av fotoanoden en hybrid cDBR bestående av ett växlande täta och porösa ITO-lager ovanpå TiO 2 / SiO 2- stapeln. Hybrid cDBR reflekterar ljus med kort våglängd <500 nm (representerat av den blå pilen) medan det överförde ljus med längre våglängd (representerat av den röda pilen). Ön är belagd på toppen. För den högra delen placeras färg / TiO 2- fotoanode och Pt-skikt vid de två motstående sidorna.

Bild i full storlek

( a ) Absorptionsspektra för BiVO 4 / WO 3- fotoanoden (blå massiv linje) och färgämnet / TiO2-elektroden uppmätt bakom BiVO 4 / WO 3- fotoanoden (röd solid linje). Uppmätta (blå prickade linjer) och simulerade (röda heldragna linjer) transmittansspektra för hybrid cDBR med ( b ) två- och ( c ) fyrskikts ITO. SEM-bilder i tvärsnitt av hybrid-cDBR med ( d ) två- och ( e ) fyra-lagers ITO, som visar tydliga gränssnitt mellan skikten. Skala bar, 500 nm.

Bild i full storlek

där R ( X ) är reflektansen för hybrid cDBR och w ( X ) är en viktningsfaktor baserad på absorptionsspektra för BiVO 4 / WO 3- fotoanoden och färgämnet / Ti02-elektroden i DSSC. Observera att istället för att använda endast ITO-cDBR: er konstruerade hybridstrukturerna bestående av ITO-cDBR: er staplade på de konventionella tre paren av TiO 2 / SiO 2 DBR-stacken för att maximera den optiska filtreringsegenskapen samtidigt som konduktiviteten i ITO cDBR bibehålls. De GA-optimerade enstaka och dubbla par porösa / täta ITO-staplarna (tvåskikts- och fyrskikts ITO) på TiO2 / SiO2 DBR-strukturen visade de optimala optiska egenskaperna (tabell 1); således valdes dessa mönster för tillverkningen. Detaljerade GA-optimeringsberäkningar och de experimentella förfarandena för att utforma hybrid cDBR-staplarna finns i tilläggsfigurerna 1-3 och tilläggsnot 1.

Full storlek bord

Tillverkning och karakterisering av hybrid cDBR: er

De uppmätta transmittansspektra (blå prickade linjer) för de tillverkade hybrid-cDBR-strukturerna jämfördes med simulerade värden (röda massiva linjer), såsom visas i fig. 2b, c. De uppmätta spektra var i god överensstämmelse med de simulerade resultaten, med undantag för området nära 360 nm på grund av glasunderlagets absorptionseffekt. Dessa resultat bekräftar att de tillverkade hybrid-cDBR-strukturerna med två- och fyrskikts-ITO-staplar övervägande speglar den korta våglängdskomponenten i solstrålningen för att återvinna högenergi-fotoner för PEC-fotoanoden men ändå har en hög överföring i den långa våglängdskomponenten för effektiv absorption av färgämnet / TiO 2- elektroden i den bakre DSSC, vilket indikeras av värdet i GA-optimeringen. Figur 2d, e visade tvärsnittsavsökningselektronmikroskopi (SEM) bilder av hybrid cDBR med två- och fyrskikts ITO-staplar, respektive, med brytningsindexprofilerna för de enskilda skikten mätt med ellipsometri. Dessa SEM-bilder demonstrerade att de tillverkade strukturerna hade tydliga gränssnitt mellan varje lager, vars tjocklek var väl kontrollerad som utformad av GA-optimeringen. De tillverkade hybrid-cDBR: erna med två- och fyrskikts-ITO-staplar visade hög konduktivitet, med arkmotstånd på 20, 4 respektive 35, 0 ², vilket indikerar en måttlig elektrisk egenskap som en elektrod utöver en överlägsen optisk egenskap för ett effektivt utnyttjande av solstrålningen. Eftersom båda strukturerna ägde mycket liknande optiska resultat, valdes hybrid cDBR med tvåskikts ITO som visade lägre arkmotstånd för PEC-tandemcelltillverkning.

PEC-föreställningar

Bipolära ledande elektroder sammansatta av konventionell FTO och hybrid cDBR användes i tandemsystemet 7, 8, i vilket de fotoanodmaterialen mesoporösa (W, Mo) -dopade BiVO 4 / WO 3 placerades på FTO-sidan och ett tunt Pt-skikt belades på hybrid cDBR-stacken. Den typiska koboltelektrolytbaserade DSSC med en hög öppen kretspotential ( V oc ) valdes som den bakre fotovoltaiken 20 för att montera hela anordningen. PEC-föreställningarna för fotoanoder mättes under treelektrodsystem (kompletterande fig. 4) och tandemanordningernas prestanda utvärderades med användning av en elektrokemisk konfiguration med två elektroder. För mätning av två elektroder, före tillverkning av tandemanordningen, utvärderades prestandan hos den främre PEC-fotoanoden och den bakre DSSC oberoende. I synnerhet erhölls J – V- kurvorna för den bakre DSSC under förhållande av 1 solbelysning filtrerad av den halvtransparenta främre PEC-fotoanoden med / utan cDBR. Driftströmtätheten ( J op ) och driftspotentialen ( U op ) för PEC-tandemapparater kan definieras baserat på de enskilda tvåelektrodernas J – V- kurvor (Fig. 3a) 21, 22 . Det framgår att även om den bakre DSSC: s prestanda var något lägre under den filtrerade 1 Sun-belysningstillståndet på grund av den främre PEC-fotoanoden med hybrid cDBR, förbättrades den främre fotoanoden med hjälp av hybrid cDBR. Som ett resultat uppnås den högre driftströmtätheten J op av tandemsystemet under en lägre driftspotential U op, såsom illustreras av punkterna A och B. Detta resultat indikerar att den begränsade DSSC-prestanda med närvaron av hybrid cDBR är en mindre faktor i den förbättrade totala prestanda. Detaljerad information från teoretiska studier om effekten av hybrid cDBR på ljusabsorptionen av den främre fotoanoden och bakre DSSC, som ytterligare påverkar deras respektive prestanda, finns i tilläggsfigurerna 5-7 och kompletterande anmärkning 2.

( a ) Den uppmätta PEC-prestanda i ett tvåelektrodsystem under AM1.5G-belysning. De röda prickarna motsvarar J – V- kurvan för fotoanoden utan hybrid cDBR-stacken, och den röda prickade linjen motsvarar den för DSSC (kontrollerad bakom fotoanoden). De blå prickarna indikerar fotoanod / hybrid cDBR-data, och den blå prickade linjen indikerar DSSC-data (bestämd bakom fotoanoden / hybrid cDBR). Punkterna A och B definierar driftsströmtätheten ( J op ) respektive driftspotentialen ( U op ) för tandemanordningen utan / med hybrid cDBR-interlayers; punkt B inser en högre J op under en lägre U op . ( b ) Den långsiktiga strömtätheten mot tid ( J – t ) kurvan för tandemapparaten med (blå) och utan (röd) hybrid cDBR-stacken. ( c ) Väteutvecklingen av tandemanordningen med (blå) och utan (röd) hybrid cDBR-stacken.

Bild i full storlek

Den långsiktiga strömtätheten mot tid ( J – t ) -prestanda för PEC-tandemapparater med och utan hybrid cDBR jämfördes (fig. 3b); strömtätheten matchades väl med J op (fig. 3a), med mycket stabilt beteende under 10 timmar för både tandemanordningar med eller utan cDBR. Vi bekräftade motsvarande utveckling av väte (fig. 3c) från de välblandade gaserna från både anod- och katodkammare. För att karakterisera gasövergångarna för vårt membranfria system, samplade och analyserade vi också gaserna från två kamrar, respektive 23, såsom visas i tilläggsfiguren 8. Under mätningen kan potentialfallet bero på elektrolytmotståndets förlust kan vara ganska liten, på 10 −2 V-nivå baserat på vår tandemapparatens driftströmtäthet, liksom den nästan neutrala pH-elektrolyten som används 24 . Dessutom minskade användningen av trådlös tandemapparat för gasutveckling i detta arbete avståndet mellan bearbetning och räknare och minskade lösningsförlusten med ytterligare 25, 26 . Enligt resultaten i fig. 3 uppnåddes en jämn fottrömsdensitet på 5, 75 mA cm −2 utan ytterligare förspänning av PEC-tandemanordningen med hybrid cDBR, som är 1, 1 mA cm −2 större än värdet för anordningen utan hybrid cDBR. Den oassisterade STH-effektiviteten hos PEC-tandemanordningen med hybrid cDBR uppskattades till ∼ 7, 1% enligt ekvationen η STH = J op × 1, 23 / P ( P är kraften hos det belysande ljuset) 27, 28 .

Diskussion

Sammanfattningsvis demonstrerade vi den förbättrade STH-omvandlingseffektiviteten hos en oassisterad PEC-solvattendelande tandemcell med en hybrid cDBR, som fungerar både som ett optiskt filter för att effektivt använda fotoner såväl som en motelektrod för den bakre DSSC. Genom fotonåtervinning med hybrid cDBR kan frågan om avvägning mellan ljusabsorptionen och överföringen av de främre PEC-fotoanoderna lösas. Som ett resultat demonstrerade vi en 7, 1% STH-omvandlingseffektivitet utan någon extern potential, vilket är det högsta värdet som hittills rapporterats för en PEC / solcell-tandemapparat. I denna studie designades de optiska egenskaperna hos hybrid cDBR genom GA-optimering för att vara kompatibla med fotoanoden (BiVO 4 / WO 3 ) och fotovoltaiken (DSSC). Som en mångsidig teknik som uppvisar applikationsspecifika optiska egenskaper genom GA-optimering, kan hybrid cDBR appliceras på många olika PEC-solsystem för vattendelning och fotovoltaik.

metoder

Beredning av WO 3- skiktet

Det porösa och mycket transparenta WO3-värdskiktet framställdes genom ytaktivt medelassisterat syntes. Prekursorlösningen av H2WO4 (10: 1 PEG: W viktförhållande) 7 framställdes genom långsamt upplösning av 0, 9 g wolframpulver i 5 ml H202 (35%, Junsei) och omrörning av lösningen under 6 timmar. . Därefter tillsattes 10 ml 2-propanol ((CH3) 2 CHOH, Junsei) till lösningen och omröring fortsattes i ytterligare en dag. Slutligen tillsattes 8 ml polyetylenglykol (PEG, Aldrich) till lösningen som ett ytaktivt medel för att ge en mesoporös filmmorfologi. Substratet, FTO (TEC-8, Pilkilton) -glas, rengjordes i en blandning av etanol och aceton (1: 1 i volymprocent) under 10 minuter med sonikering och nedsänktes sedan i en blandad H2S04 / H202 lösning under ytterligare 10 minuter för hydrofilisering av ytan. Den beredda WO3-föregångslösningen tappades på FTO-substratet, som placerades på ett optiskt bord. Provet torkades sedan vid rumstemperatur under 20 minuter för att erhålla en enhetlig fördelning av lösningen på toppen av FTO-substratet. Proverna glödgades med användning av en tempererad gradient från 300 till 550 ° C, i vilken temperaturen ökades med en hastighet av 10 ° C min-1 följt av glödgning i 30 minuter vid 550 ° C. För att erhålla ett optimalt WO 3- skikt spriddes 20 ul prekursorlösning på den fördefinierade FTO (1, 5 × 1, 5 cm 2 ) följt av torknings- och glödgningsprocessen under en cykel, och totalt två cykler utfördes och användes för heterojunktionen tillverkning.

Tillverkning av (W, Mo) -dopad BiVO 4- lager på WO 3- lager

BiVO4-föregångslösningen framställdes från en blandning av vismutnitrathexahydrat (BiN3O9-5H20, 99, 99% Aldrich), vanadylacetylacetonat (C10H14O5V, 98% Aldrich) och natriummolybdat (Na2). MoO 4, Aldrich) i ett molförhållande av 100: 96: 4 som sattes till en lösning av 1: 0, 12 acetylaceton (C5H8O2, Fluka) och ättiksyra (CH3COOH, 99, 70%, DAE). Efter sonikering i 10 minuter erhölls en mörkgrön lösning. Skötsel var så att synligt flytande material inte fanns närvarande, och lösningen användes inom 1 dag efter beredning för att undvika sedimentering och förhindra tom fyllning av det mesoporösa WO 3- bottenlagret. Den slutliga molkoncentrationen av Bi var 0, 09 M. Totalt 100 ul av BiVO4-prekursorlösningen tappades på det beredda mesoporösa WO 3- bottenskiktet och hölls i 1 min för lösningsträngning med följande spinnbeläggningsprocess (5 s)., 500 varv per minut plus 30 s, 1 500 varv / min). Proverna torkades sedan vid 100 ° C under 10 minuter och glödgades sedan vid 300, 400, 500 ° C under 5 minuter. Under glödgningsprocesserna kan W naturligt dopas in i BiVO 4 på grund av den intima kontakten mellan de två komponenterna i den inbäddade strukturen. Denna process genomfördes i en torr och väl ventilerad miljö och upprepades fem gånger. Slutligen härdades proverna i en lådaugn vid 500 ° C under 2 timmar.

FeOOH och NiOOH samkatalysatorytmodifiering

FeOOH / NiOOH-skiktet deponerades enligt följande. Med användning av fotoassisterad avsättning (1 Sun, AM 1, 5G) avsattes FeOOH i en 0, 1 M FeSO4 (järn (II) sulfatheptahydrat, 99%, Aldrich) -lösning under 0, 25 V kontra Ag / AgCl under 13 minuter. NiOOH avsattes sedan i 0, 1 M NiSO4 (nickel (II) sulfathexahydrat, 99%, Aldrich, justerades pH till 6, 7 med baslösning) under 0, 11 V kontra Ag / AgCl under 6 minuter. Slutligen bildades ytterligare ett NiOOH-skikt genom elektroavsättning i 0, 1 M NiSO4 under 1, 2 V kontra Ag / AgCl under 1, 5 min.

Optimering och tillverkning av hybrid cDBR: er

Strukturerna för hybrid cDBR utformades genom GA-optimering i två steg. Först optimerades den dielektriska DBR-strukturen sammansatt av en TiO2 / SiO2-flerskiktsstapel. Våglängdsberoende brytningsindexprofiler för förstoftningsavsatt TiO2 ( n = 2, 40 vid X = 550 nm) och Si02 ( n = 1, 45 vid X = 550 nm) uppmätt med ellipsometri. Sedan optimerades ITO cDBR-staplar på toppen av den dielektriska DBR efter fixering av den tidigare optimerade strukturen. De uppmätta brytningsindexen och utrotningskoefficienterna för de täta och de porösa ITO-skikten användes för optimering av cDBR: er (kompletterande fig. La).

Hybrid-cDBR-stacken tillverkades på baksidan av fotoanoden. Först avsattes en TiO2 / SiO2-flerskiktsstapel på baksidan av FTO-glaset genom radiofrekvent magnetronsprutning med riktade tjocklekar. På toppen av denna dielektriska DBR-stack tillverkades ITO cDBR-stacken av OAD med användning av elektronstråleindunstning. Det täta ITO-skiktet formades utan lutning av substrat ( θ OAD = 0 °), och det porösa ITO-skiktet med låg brytningsindex bildades av OAD med en lutningsvinkel på substratet 70 ° ( θ OAD = 70 °). För att förbättra den optiska transparensen och konduktiviteten hos den ITO-baserade cDBR-stacken glödgades hybrid-cDBR-proverna i omgivande syre vid 550 ° C under 1 min med användning av ett snabbt termiskt glödgningssystem.

Tillverkning av färgämne-belagd TiO 2- elektrod från DSSC

En 40 mM titantetraklorid (TiCl4, Aldrich) -lösning framställdes och rengjorda FTO-substrat nedsänktes i denna lösning under 30 minuter (70 ° C). Med användning av silketrycktekniken avsattes nanokristallina genomskinliga TiO 2- elektroder (TiO2-pasta-Dyesol 18NR-T) på FTO-glasunderlag och glödgades sedan vid 500 ° C under 30 minuter. Tjockleken hos detta skikt bekräftades med användning av en Alpha-steg 250 ytprofilometer (Tencor Instruments). De beredda Ti02-elektroderna glödgades vid 500 ° C under 30 minuter och nedsänktes sedan i en THF / etanol (v / v, 2: 1) -lösning innehållande 0, 3 mM JK-306 färgämne och 0, 3 mM 4- [bis (9), 9-dimetyl-9H-fluoren-2-yl) amino] bensoesyra-koadsorbent under 12 timmar vid rumstemperatur.

Beredning av tandelektrodens motelektrod

Efter tillverkningen av DSSC-fotoanoden på den ena sidan av FTO-substratet belades den andra sidan av glaset med Pt-skikt genom e-balkindunstning. Detta Pt-lager används som väteutvecklingsreaktionskatalysator (HER) -katalysator i PEC-tandemanordningen (fungerar som räknaren för hela tandemanordningen). Den färgämne belagda TiO2-elektrodesidan och Pt-sidan var elektriskt förbundna med silverpasta.

Montering av PEC-tandemapparat

Efter tillverkning av hybrid cDBR-stack på baksidan av PEC-fotoanode belades den med en H2PtCl6-lösning och upphettades vid 300 ° C i 30 minuter för dess användning som motelektrod för DSSC. De två sidorna av glas (PEC-fotoanod på FTO och Pt-öarna ovanpå cDBR) var också elektriskt anslutna med silverpasta. Två plattor, den främre PEC-fotoanoden / Pt och den bakre färgämnet adsorberade TiO 2 / Pt (Pt för HER), monterades med användning av en 60 mikrometer tjock Surlyn-distans (Surlyn-1702, Dupont). En elektrolytlösning av 0, 22 M Co (bpy) 3 (BCN4) 2, 0, 05 M Co (bpy) 3 (BCN4) 3, 0, 1 M LiCl04 och 0, 8 M 4- tert- butylpyridin i acetonitril injicerades sedan i den inklämda cell genom ett hål borrat i den bakre TiO 2- elektroden. Hålet tätades med en Surlyn-distans och ett täckglas. Allt exponerat ledande glas eller ledande material såsom silverpasta täcktes totalt med superlim med torkningsprocessen innan den sänktes ned i elektrolyten för mätning.

Karakteriseringar och ytterligare mätningar

Utvecklingen av väte och syre kvantifierades med en gaskromatograf utrustad med en termisk konduktivitetsdetektor och en 5-Å molekylsiktkolonn. En fosfatbuffertlösning (vattenhaltig 0, 1 M Na2HP04, pH 9, 2 och NaH2P04, pH 4, 0) efter Ar-rensning användes för att justera pH-värdet för elektrolyten till 6, 9. Det membranfria soldrivna vattensplitssystemet användes för gasutveckling. Under mätningarna förseglades alla cellfack fullständigt med gummiseptum och glycerin, varefter gaserna som genererades från två kamrar provades intermittent och analyserades individuellt för att beräkna gasövergångarna. För ett mer exakt värde på hela det genererade väte blandades de utvecklade gaserna från två kamrar väl innan de analyserades. Fotoanodens PEC-prestanda bestämdes med användning av potentiostat med olika elektrodsystem. För mätningen av två elektroder fungerade Pt-folien både som referens- och motelektrod. För mätningen av tre elektroder användes Ag / AgCl-elektroden som referenselektrod och Pt-folie användes som motelektrod. J – V- kurvor erhölls under 1 sol och AM 1, 5 G med användning av en solsimulator för bestrålning (en 300-W xenonlampa (Newport)). Elektrolyten var en 0, 5 M Na2S04-lösning (justerad med buffertlösning). En kiselreferenscell (Fraunhofer ISE, Certificate No. C-ISE269) användes för att kalibrera det exakta tillståndet 1 Sun. För att mäta prestandan hos PEC-tandemanordningarna togs Pt (HER-katalysatorn) på baksidan av den bakre elektroden bort. Arbetsledningen för potentiostaten var ansluten till den färgbelagda Ti02-elektroden, och räknaren och referenslinjerna var anslutna till den separerade platinfolien. Dimensionen för den använda Pt-folien var 1, 5 × 1, 5 cm 2 . De optiska egenskaperna under experimenten mättes med användning av en ultraviolett synlig spektrofotometer (UV-2401 PC, Shimadzu). Morfologianalyser av proverna utfördes med användning av fältemission SEM (JSM-7000F).

Data tillgänglighet

Uppgifter som stöder resultaten från denna studie finns tillgängliga i artikeln och dess kompletterande informationsfiler och från motsvarande författare på rimlig begäran.

Kompletterande information

PDF-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

    Kompletterande figurer 1-8, kompletterande anmärkningar 1-2 och kompletterande referenser

  2. 2.

    Peer review-fil

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.