効率的な光電気化学水分解のための層状SnS2およびCoOxナノ粒子を備えたTiO2ナノシートアレイ

要約

光電気化学（PEC）水分解によって太陽エネルギーを持続可能な水素燃料に変換することは、ますます深刻化する世界的なエネルギー供給と環境問題を解決するための有望な技術です。ただし、TiO ₂に基づくPECパフォーマンスナノ材料は、限られた太陽光収集能力と光生成電荷キャリアの高い再結合率によって妨げられています。この作品では、層状のSnS ₂ 吸収体とCoO _x 二次元（2D）TiO ₂で装飾されたナノ粒子ナノシートアレイ光電極は合理的に設計され、合成に成功しました。これにより、水分解のPEC性能が大幅に向上しました。その結果、TiO ₂の光変換効率 / SnS ₂ / CoO _x およびTiO ₂ / SnS ₂ ハイブリッドフォトアノードは、裸のTiO ₂と比較して、シミュレートされた太陽光照明下で3.6倍および2.0倍増加します。ナノシートアレイフォトアノード。さらに、TiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x 光アノードは、CoO _xにより、より高いPEC安定性も示しました。触媒は、効率的な水の酸化触媒として、また吸収体の光腐食を防ぐための効果的な保護剤として機能しました。

背景

今日、再生不可能な化石燃料の懸念と従来の化石燃料の燃焼によって引き起こされる環境汚染の出現により、持続可能なクリーンで高い光安定性、非毒性、低コスト、およびクリーンな燃料[1,2,3,4]。光電気化学（PEC）水分解は、1972年のPEC水分解に関する最初の報告以来、魅力的な持続可能なエネルギー源と技術を探索するための理想的な代替手段としてよく認識されています[5,6,7]。光生成された電子正孔対は、空間的に分離および転送され、その後、水分解プロセスに関与します。二酸化チタン（TiO ₂ ）は、化学的安定性が高く、バンドエッジの位置が良好で、地球が豊富で、毒性がないという固有の利点があるため、有望な半導体材料の候補です[8,9,10,11]。ただし、TiO ₂ 、大きなバンドギャップ半導体（約3.2 eV）として、紫外線（UV）光のみを吸収します。さらに、その高い光誘起電荷キャリア再結合率と低い光電変換効率は、実際の光触媒活性を実質的に制限します[12、13、14、15]。ナノワイヤー[16]、ナノロッド[17]、ナノチューブ[18]、ナノベルト[19]、ナノファイバー[20]など、PEC水分解の光変換効率を改善するための効率的な幾何学的ナノ構造を構築することが非常に望ましい。最近、異なる形態のTiO ₂ 太陽光を利用して水を分解するための材料が使用されています[21、22、23]。しかし、これらのナノ構造における粒界効果と比表面積の不足を伴うため、水分解効率は不十分です。したがって、2次元（2D）垂直に整列したTiO ₂ ナノシートアレイ構造は、PEC水分解に強い関心を集めています。他の一次元（1D）ナノ構造と比較して、アナターゼ型TiO ₂ 露出した{001}ファセットの割合が高いナノシートアレイは、光触媒として使用した場合に活性相であることが証明されています[24、25、26、27]。その上、垂直に成長したTiO ₂ ナノシートアレイは、基板への電子伝達のための障害物のない輸送経路を提供し、高い光触媒活性{001}ファセットが支配的なアナターゼTiO ₂ 光生成された電荷キャリアの分離に特別な利点があります。

それにもかかわらず、TiO ₂の実際のアプリケーションベースの水分解システムは、狭いバンドギャップに起因する狭い光吸収領域だけでなく、その低い量子効率と高い光生成電荷キャリア再結合率のために制限されます。したがって、太陽光の吸収能力と変換効率を改善するためにかなりの努力が払われてきました。たとえば、イオンドーピング[28、29]、金属プラズモニックナノ構造の結合[30、31、32]、またはバンドギャップの小さい半導体の光増感[33 、34,35]。あるいは、狭バンドギャップ光増感剤で構築された不均一接合は、効率的に電荷キャリア分離を促進し、光触媒材料の光吸収能力を拡張するための利用可能な方法であると広く認識されています[36、37、38、39]。通常、スズ（IV）ジスルフィド（SnS ₂ ）2.4 eVの適切なバンドギャップエネルギーで、その顕著な光学的および電気的特性のために大きな注目を集めています。層状金属カルコゲニド半導体のメンバーとして、2D SnS ₂ ナノシートは、有効な光吸収能力、短いキャリア輸送距離、および大きな比表面積のために、PEC太陽水分解における魅力的な光触媒として実証されています[40、41、42、43]。あるいは、タイプIIヘテロ接合はSnS ₂を組み合わせた TiO ₂を使用は、光吸収能力を大幅に向上させ、電荷分離効率を向上させるための効率的なルートと見なされてきました[44、45]。さらに、4つの電子移動反応である酸素発生は、通常、反応速度を制御するステップであると考えられています。コバルトベースの触媒を統合することにより、水分解効率をさらに高めることができます。触媒は水の酸化の活性部位として機能し、過電圧を低くし、水分解プロセスでの光腐食を防ぎます[46,47,48]。

この作業では、垂直に整列したTiO ₂ ナノシートアレイはTiO ₂に適用されました / SnS ₂ / CoO _x PEC水分解用のヘテロ接合光電極。 CoO _x 優れた水の酸化触媒として知られているナノ粒子をTiO ₂にロードしました。 / SnS ₂ トリプルハイブリッドフォトアノードを構築するためのナノシートアレイ。ハイブリッド半導体光アノードは、単純な熱水またはソルボサーマルプロセスによって製造され、詳細に準備されたメソッドの特性評価については、後で説明しました。 CoO _xを使用ローディング、TiO ₂のパフォーマンス / SnS ₂ photoanodeは著しく改善されました。 TiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x 複合ナノシートアレイフォトアノードは、PEC水分解に対して著しく改善された性能を示します。

メソッド

化学薬品および試薬

チタン酸テトラブチル（C ₁₆ H ₃₆ O ₄ Ti、Aladdin Chemistry Co.、Ltd.、≥99％）、ヘキサフルオロチタン酸アンモニウム（（NH ₄ ）₂ TiF ₆ 、Sinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd.、AR）、塩化スズ（IV）五水和物（SnCl ₄ ・5H ₂ O、Sinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd.、≥99％）、チオアセトアミド（CH ₃ CSNH ₂ 、Sinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd.、≥99％）、酢酸コバルト（II）四水和物（Co（CH ₃ COO）₂ ・4H ₂ O、Sinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd.、≥99.5％）、アンモニウム溶液（NH ₃ ・h ₂ O、25 wt％）、濃塩酸（36–38 wt％）、アセトン（AR）、およびエタノール（AR）は、中国の天津化学試薬工場から入手しました。すべての化学物質は、それ以上精製することなく、受け取ったままの状態で使用されました。

TiO ₂の準備ナノシートアレイ

TiO ₂ ナノシートアレイ光電極は、簡単な水熱プロセスを使用して、フッ素ドープ酸化スズ（FTO）でコーティングされた導電性ガラス基板上に製造されました[49]。典型的な手順では、10mlの濃塩酸と10mlの脱イオン（DI）水（18.25MΩcm）を室温で強く攪拌しながら混合しました。続いて、0.4 mlのチタン酸テトラブチルを混合溶液に滴下し、5分間激しく撹拌して透明な溶液を得た。次に、0.2 gのヘキサフルオロチタン酸アンモニウム（（NH ₄ ）₂ TiF ₆ ）を加え、さらに10分間撹拌した。調製したままの混合前駆体溶液をテフロンで裏打ちしたオートクレーブ（容量100 ml）に移しました。 FTO基板（14Ω/平方）をアセトン、エタノール、DI水で順番に超音波洗浄し、実験前に乾燥させました。次に、導電性ＦＴＯ基板を下向きにオートクレーブ内に斜めに置いた。オートクレーブは170℃で10時間行い、その後自然冷却しました。合成後、サンプルを脱イオン水で洗浄し、室温で風乾した。 TiO ₂の結晶化度を上げるにはナノシートアレイ、準備されたままのサンプルは、空気雰囲気中、550°Cで3時間アニーリングされました。

TiO ₂の製造 / SnS ₂ ハイブリッド

ハイブリッドTiO ₂ / SnS ₂ ナノシートアレイは、以下の準備の詳細に記載されているように製造することができます。 2D SnS ₂ TiO ₂で成長しました低温ソルボサーマル法によるナノシートアレイ。 10 mlの無水エタノール、10 mMのSnCl ₄を含む混合溶液、および30 mMチオアセトアミドを磁気的に攪拌し、ソルボサーマルプロセスで調製しました。次に、TiO ₂で覆われたFTO基板ナノシートアレイを前駆体溶液に垂直に挿入した。堆積中、温度は80℃で1時間加熱されました。冷却後、作製したサンプルを無水エタノールと脱イオン水で数回リンスし、Ar雰囲気中250°Cで2時間アニーリングしました。

TiO ₂の合成 / SnS ₂ / CoO _x 光電極

最後に、CoO _x ナノ粒子はTiO ₂にロードされました / SnS ₂ 以前に報告された修正ソルボサーマル法によるナノシートアレイ[50、51]。詳細には、0.25mlのアンモニウム溶液を5mMの酢酸コバルトを含む18mlのエタノール溶液に激しく攪拌しながら滴下した。続いて、調製したままの溶液を25mlのオートクレーブと2枚のTiO ₂に移しました。 / SnS ₂ 電極をオートクレーブの底に斜めに配置した。次に、オートクレーブを加熱し、120℃で1時間保持した。ソルボサーマルプロセスが終了した後、得られたTiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x 光電極を脱イオン水で完全にすすぎ、空気中で乾燥させた。

特性評価

X線回折（XRD）パターンは、CuKα線（λ）を備えたBruker D8 DiscoverX線回折計を使用して取得しました。 =0.15406 nm）。走査型電子顕微鏡画像は、オックスフォードX-max20エネルギー分散型X線分光計（EDS）を備えたFEI NovaSEM-450電界放出型走査電子顕微鏡（SEM）を使用して取得しました。光吸収スペクトルは、60mmの積分球アタッチメントと組み合わせたPerkinElmer Lambda750で記録されました。透過型電子顕微鏡（TEM）画像は、動作電圧200kVのFEITecnaiF20透過型電子顕微鏡で記録されました。ラマンスペクトルは、LabRAM HR Evolution Horiba JY高分解能ラマン分光計で、波長633nmを励起源として記録されました。 X線光電子分光法（XPS）は、Thermo Fisher Scientific-Escalab 250XiX線光電子分光計によって単色AlKa照射で記録されました。

PEC測定

電気化学ワークステーション（CorrTest、CS350）で、製造された電極を作用電極として使用し、Ptワイヤを対電極として使用し、Ag / AgClを参照電極として使用して、標準の3電極セルを使用してPEC測定を実行しました。すべてのPEC測定は、作用電極の有効表面積を2 cm ² に維持して実行されました。 0.5 MNa ₂で前面から照らされます SO ₄ （pH =6.8）電解質。作動電極の電極電位（対Ag / AgCl）は、ネルンストの式によって可逆水素電極（RHE）電位に変換できます。\（{E} _ {\ mathrm {RHE}} ={E} _ { \ mathrm {Ag} / \ mathrm {AgCl}} + 0.059 \ \ mathrm {pH} + {E} _ {\ mathrm {Ag} / \ mathrm {AgCl}} ^ {\ uptheta} \）、ここで E _RHE は変換された電位対RHE、\（{E} _ {\ mathrm {Ag} / \ mathrm {AgCl}} ^ {\ uptheta} \）は25°Cで0.1976 V、 E > _{Ag / AgCl} Ag / AgCl参照電極に対して印加される電位です。光電流密度-ポテンシャル（ i - v ）測定は、照明源としてAM 1.5Gフィルターを備えた150Wキセノンランプ（100 mW / cm ² ）を使用して、ソーラーシミュレーター（7IS0503A）の下で10 mV / sのスキャンレートで実行されました。）。アンペロメトリー光電流時間（ i - t ）曲線は、1.23V対RHEの印加電位下での光照射のオン/オフサイクルで評価されました。電気化学インピーダンス分光法（EIS）は、0.01〜100 kHzの周波数範囲、および開回路電位で5mVのAC電圧振幅で実行されました。

結果と考察

TiO ₂の製造プロセス / SnS ₂ / CoO _x ナノシートアレイの光アノードが示されています（追加ファイル1：スキームS1）。手付かずのTiO ₂の形態と構造の画像ハイブリッドナノシートアレイの光電極は、SEMおよびTEM観察によって図1に表示されています。各光電極が同じ密度のナノシートアレイを持つことを保証するために、元のTiO ₂ ナノシートアレイ光電極は、ワンポット水熱合成で調製されました。明らかに、FTO基板の表面は滑らかなTiO ₂で均一に覆われています。ナノシートアレイとナノシートの厚さは、図1aから観察されるように、通常約280nmです。さらに、断面画像は、フィルムが垂直に整列したTiO ₂で構成されていることを示しています。ナノシートアレイとナノシートアレイの高さは約1μmです（追加ファイル1：図S1）。 TiO ₂の表面全体がナノシートアレイは、SnS ₂の堆積後に粗くなりますレイヤー（図1b）。 CoO _xのロードナノ粒子の場合、CoO _xにより、ナノシートアレイのSEM画像に大きな違いはほとんどありません。図1cに示すように、ナノ粒子の高分散と低濃度。ただし、EDSはCoO _xの存在を反映していますハイブリッドの表面にあるナノ粒子（追加ファイル1：図S2）。図1dに示されているように、HRTEM画像はさらに、ナノシートが単結晶構造を持っていることを示しています。これは、 d に対応する0.23nmの格子縞を明確に示しています。 -アナターゼ型TiO ₂の間隔値（001）飛行機。個々のTiO ₂の図1eのTEM画像 / SnS ₂ ヘテロ接合ナノシート、それはTiO ₂ ナノシートはSnS ₂で覆われています外層。 HRTEM画像に見られるように、格子 d -間隔は0.32nmで、六角形のSnS ₂の（100）フリンジ平面に対応します。。図1fに示すように、HRTEM画像はCoO _x ナノ粒子はTiO ₂の表面に均一に分散しています / SnS ₂ ナノシートアレイ。

XRD測定は、ハイブリッド光電極の結晶化度と結晶構造を特定するために使用されました。図2aで説明されているように、すべての回折ピークは、典型的なアナターゼ型TiO ₂に容易にインデックス付けされます。（JCPDS 21-1272）および六角形のSnS ₂ （JCPDS 21-1231）TiO ₂の共存を明らかにした、FTO基板のピークは別としておよびSnS ₂ ハイブリッド電極で。ただし、CoO _xに対応する回折ピーク（CoOまたはCo ₃ O ₄ ）は、おそらくハイブリッド電極表面での低濃度と高分散のために、明らかに検出されませんでした。ハイブリッド光電極の結晶相をさらに検証するために、追加のラマンスペクトルを実行しました（追加ファイル1：図S3）。 TiO ₂のラマンスペクトルナノシートアレイは、約144、394、514、および637 cm ^{-l </ sup>
に特徴的なバンドを示します。、アナターゼ型TiO ₂のラマン活性モードに対応 E のO–Ti–O振動 _g 、 B _1g 、 A _1g 、および E _g 、それぞれ[52,53,54]。同じラマン散乱ピークがTiO ₂で観察されます。 / SnS ₂ サンプル。 TiO ₂の形成後 / SnS ₂ ヘテロ接合、 A _1g 六角形のSnS ₂のモードラマンピーク 314 cm ^-1
で観察され、SnS ₂の導入が成功したことを確認しますハイブリッド電極の層[55、56]。裸のTiO ₂の光吸収スペクトル、TiO ₂ / SnS ₂ 、およびTiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x ナノシートアレイを図2bに示します。手付かずのTiO ₂ ナノシートアレイのサンプルは、380 nmにある特徴的な吸収帯を示していますが、TiO ₂ / SnS ₂ ハイブリッドは、SnS ₂の優れた光吸収能力に起因する、広い可視光吸収エッジを示します。層。対応する光エネルギーギャップは、次の式を使用して後で計算できます。αhν = A （hν − E _g ）ⁿ
、ここでα 、 A 、hν 、および E _g は、それぞれ、光吸収係数、定数、入射光子エネルギー、およびバンドギャップです。さらに、 n n の場合、直接バンドギャップ半導体の場合は1/2になります。間接バンドギャップ半導体の場合は2に等しくなります。裸のTiO ₂のエネルギーギャップと手付かずのSnS ₂ それぞれ3.2および2.4eV（追加ファイル1：図S4）と推定されました[57、58、59、60]。 CoO _xで装飾した後、TiO ₂の吸収スペクトル / SnS ₂ / CoO _x ナノシートアレイは、TiO ₂と同様の光吸収帯（約560 nm）を示します。 / SnS ₂ ハイブリッド。これは、CoO _xの導入により追加のバンドギャップ遷移が発生しないことを意味します。触媒。}

原子価状態と化学的環境をさらに調査するために、すべての光電極のXPS特性を測定しました。図3aに示すように、TiO ₂のXPS調査スペクトル / SnS ₂ / CoO _x ハイブリッドは、Ti、O、Sn、S、およびCo元素の存在を証明します。図3bは、Ti2pの高分解能XPSスペクトルを示しています。 458.6と464.2eVにある2つのピークは、Ti 2p _3/2によるものです。およびTi2p _1/2 、それぞれ、Ti ⁴⁺ の存在を示します種族。図3cは、531.4eV付近のO1sコアレベルの結合エネルギーを示しています。これは、Ti–O–Ti結合の格子酸素原子に対応しています。結合エネルギー486.47の2つの対称ピーク（Sn 3d _5/2 ）および494.88 eV（Sn 3d _3/2 ）を図3dに示します。これにより、Sn ⁴⁺ の存在が確認されました。ハイブリッド電極で。一方、161.2および162.3eVにあるピークはS2p _3/2に対応します。およびS2p _1/2 状態（図3e）、SnS ₂の形成を示しています外層。さらに、796.5（Co 2p _1/2）にある2つの異なるピーク）および780.6 eV（Co 2p _3/2 ）衛星のピークを図3fに示します。これは、両方のCo ³⁺ の調整によるものです。およびCo ²⁺ 。これは、実際、水の酸化触媒CoO _x （CoOおよびCo ₃ O ₄ ）ハイブリッド光電極の表面に確実に組み立てられます。さらに、Co元素の原子百分率は、TiO ₂でのXPS分析に基づいて、約4.3 at％と推定されました。 / SnS ₂ / CoO _x ナノシートアレイ。その結果、CoO _xの濃度が低いため、前回のXRD測定で実行された回折ピークは検出されません。ハイブリッド光電極内のナノ粒子。

これらの光電極のPEC性能を調査するために、ナノシートアレイを標準的な3電極電気化学システムの作用電極に作製しました。手付かずのTiO ₂の線形掃引ボルタンメトリー（LSV）曲線、TiO ₂ / SnS ₂ 、およびTiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x ナノシートアレイの光電極を図4aに示します。印加電位範囲は、RHEに対して0.2〜1.3Vです。明らかに、ダークスキャンLSV曲線は、すべてのサンプルでほとんど無視できる電流密度を示しています。それにもかかわらず、TiO ₂の光電流 SnS ₂でコーティングすると、電極が著しく強化されます。光増感剤であり、CoO _xを堆積するとさらに改善されますシミュレートされた太陽光照明下の触媒。さらに、TiO ₂の光電流の開始電位ナノシートアレイは、TiO ₂に対して負にシフトします / SnS ₂ およびTiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x SnS ₂によるフェルミ準位の負のシフトと低いキャリア再結合率による、ナノシートアレイ電極外層とCoO _x 触媒。さらに、光変換効率（η ）元のTiO ₂ およびTiO ₂ / SnS ₂ およびTiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x 光電極は、次の式を使用して計算されます。

$$ \ eta =I \ \ left（{E} _ {\ mathrm {rev}} ^ {\ uptheta} -V \ right）/ {J} _ {\ mathrm {light}} $$

ここで私は光電流密度（mA / cm ² ）、 E θrevは1.23V対水分解のRHE、 V は測定された電位対RHE、および J <サブ>ライトは入射光の放射照度です（100 mW / cm ² ）。図4bは、光放射下でのRHEに対する0.2〜1.3Vの電位を印加した場合の光変換効率のプロットを示しています。手付かずのTiO ₂ 光電極は、RHEに対して0.70 Vで0.12％の最適な光変換効率を示します。驚くべきことに、TiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x およびTiO ₂ / SnS ₂ ナノシートアレイ光電極は、0.44％と0.24％の最高効率を示し、元のTiO ₂と比較して約3.6倍と2.0倍高くなっています。それぞれナノシートアレイ。みじん切りの光応答（ i - t ）図4cに示すように、1.23V対RHEで測定された光陽極の曲線。光電流密度の急速な上昇-下降変化は、光電極内の電荷輸送が非常に速いことを示しています。対照的に、TiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x 光電極は、1.05 mA / cm ² のより高い光電流密度を示します、裸のTiO ₂と比較して3.38倍の向上同じ印加バイアス電位でのナノシートアレイ。これは主に、SnS ₂ 外層とCoO _x 触媒は、光吸収範囲を効果的に拡大し、電荷キャリアの効果的な移動を加速し、電荷キャリアの再結合を減らし、光電流密度を高めます。光アノードの界面電荷輸送プロセスをさらに研究するために、TiO ₂の電気化学的インピーダンススペクトル（EIS）調査、TiO ₂ / SnS ₂ 、およびTiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x ナノシートアレイを図4dに示します。これは、光照射（100 mW / cm ² ）下で開回路電位で測定されたものです。）。ここで、 R _s は電気化学デバイスの接触抵抗を示し、CPEは静電容量位相要素を示し、 R _ct 界面電荷移動抵抗を示します。 R の値 _ct TiO ₂の場合、3780、2460、および1650Ωと計算されます。、TiO ₂ / SnS ₂ 、およびTiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x それぞれナノシートアレイ電極。明らかに、TiO ₂ではより小さな円弧半径が観察されました。 / SnS ₂ / CoO _x TiO ₂のものと比較しておよびTiO ₂ / SnS ₂ ハイブリッド光電極。ナイキストアーク半径の減少は、ヘテロ接合界面で光誘起電荷キャリアの効果的な分離と高速電荷移動が起こったことを反映していることは注目に値します。これらの結果は、SnS ₂の導入がおよびCoO _x 明らかにTiO ₂を改善します PECプロパティ。

一方、水分解のPEC性能をさらに確認するには、光電流の安定性も非常に重要です。これらの光電極の光安定性を示すために、TiO ₂の長期安定性光安定性測定 / SnS ₂ およびTiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x ナノシートアレイは、連続的なシミュレートされた太陽光照明の下で2時間実行されました。図5に示すように、TiO ₂の光電流密度の減少 / SnS ₂ およびTiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x ナノシートアレイの光アノードは、次の測定期間でそれぞれ約54.0％と18.3％です。良好な安定性が得られたことは、CoO _xの装飾後に光腐食プロセスが抑制されたことを示しています。触媒、およびTiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x ナノシートアレイは、長期間のPEC水分解プロセス後も、シミュレートされた太陽光照明下で原始的な構造を保持します。

上記の結果に基づいて、ハイブリッドTiO ₂の可能な電荷移動メカニズム / SnS ₂ / CoO _x ナノシートアレイ光電極を図6に示します。ハイブリッドヘテロ接合に太陽光を照射すると、吸収性に優れた幅の狭い光増感剤として、SnS ₂ は容易に励起され、照明下で光誘起電荷キャリアを生成します。最終的に、SnS ₂の伝導帯（CB）上の光誘起電子 TiO ₂のCBに効率的に転送できますタイプIIバンドアラインメント（追加ファイル1：図S5）を使用したナノシートは、その後、追加の回路を介して対極に送られ、水分解反応を促進します。同時に、光生成された正孔は、TiO ₂の価電子帯（VB）とは反対の方向に輸送されます。 SnS ₂のVBへそして最後に、光生成された正孔は、光酸化水プロセスによって光アノードの表面で消費されます。さらに、CoO _x ナノ粒子はハイブリッド光アノードの表面層に効果的に結合し、シミュレートされた太陽光照射下での光変換効率が大幅に向上しました。これは、CoO _x ナノ粒子は、光酸化速度をさらに加速し、光生成された電荷キャリアの再結合を大幅に減らし、光アノードの光腐食を抑制します。これにより、水分解のPEC性能が向上します。

結論

要約すると、新しい2Dアーキテクチャヘテロ接合TiO ₂の製造に成功しました。 / SnS ₂ / CoO _x PEC水分解用の光アノード。この三元ハイブリッドTiO ₂ / SnS ₂ / CoO _x 光アノードは、大幅に強化された光電流密度を示します。 TiO ₂の光変換効率 / SnS ₂ / CoO _x TiO ₂の約1.8倍と3.6倍です。 / SnS ₂ 純粋なTiO ₂ それぞれ光電極。強化されたPEC性能は、TiO ₂の間に構築されたタイプIIヘテロ接合の結果として、光吸収能力を改善し、光生成キャリア再結合を低減することに起因する可能性があります。ナノシートと層状SnS ₂ 。さらに、CoO _x 触媒は、表面の水の酸化速度をさらに加速し、効率的な電荷分離を促進し、PECの安定性を向上させます。この作業は、持続可能な太陽光駆動の水分解システムに向けた効率的なPEC実用アプリケーションの新しい洞察と潜在的な構成を提供します。