W artykule przedstawiono kompleksowe spojrzenie na fotokatalizatory domieszkowe w rozszczepianiu wody w świetle widzialnym. Domieszkowanie regulujące strukturę pasmową tlenków kompozytowych na bazie Bi powoduje całkowite rozszczepienie wody. Poprawę wydajności produkcji wodoru uzyskuje się poprzez domieszkowanie w celu kontrolowania mikromorfologii fotokatalizatora (selektywne eksponowanie ścian kryształów o wysokiej aktywności) i właściwości powierzchni (fosforyzacja powierzchni). Technika domieszkowania wielolokalnego gradientu pozwala zbudować trójwymiarową studnię potencjału, skutecznie napędzając separację ładunków, wydłużając czas życia fotogenerowanych nośników i poprawiając wydajność fotokatalitycznego rozkładu wody. Źródło: Chiński dziennik katalizy
Fotokatalityczny rozkład wody, wykorzystujący strategie takie jak domieszkowanie i kontrola defektów, przyniósł poprawę wydajności, zwłaszcza dzięki ostatnim postępom w metodach domieszkowania, które optymalizują konwersję energii w świetle widzialnym.
W fotokatalitycznym rozszczepianiu wody fotokatalizator, zwykle półprzewodnik, pochłania energię świetlną, aby wywołać reakcję rozszczepiania wody. Po zaabsorbowaniu światła fotokatalizator generuje pary elektron-dziura. Wzbudzone elektrony redukują wodę, a dziury ją utleniają.
Istnieje jednak kilka wyzwań związanych z fotokatalitycznym rozkładem wody, obejmujących głównie niską wydajność, ograniczoną absorpcję światła widzialnego i fotokorozję fotokatalizatora. W związku z tym badane są różne strategie, takie jak tworzenie heterozłączy, projektowanie nanostruktur, wykorzystanie kokatalizatorów, uczulanie barwników, wzmocnienie plazmoniczne powierzchni, domieszkowanie i kontrola defektów, aby rozwiązać te problemy i przełamać wąskie gardło wydajności.
Doping i ulepszenia wydajności
Szczególną uwagę poświęcono dopingowi. Różne badania wykazały jego skuteczność. Na przykład zespół Kudo osiągnął pozorną wydajność kwantową (AQY) przekraczającą 50% dzięki modyfikacji tlenkiem metalu. Domieszkowanie azotem w TiO2, jak podali Asahi i in., okazało się kluczowe dla zwężenia pasma wzbronionego i zwiększonej aktywności fotokatalitycznej. Domen i in. wprowadził stały roztwór tlenku azotu galu i cynku (Ga1–xZnX)(N1–xOX) do rozszczepiania wody w świetle widzialnym. Chena i in. zbadał wprowadzenie zaburzeń w TiO2 warstwy nanofazowe przez uwodornienie w celu zwiększenia absorpcji światła słonecznego. Takata i in. osiągnięto całkowite rozszczepienie wody przy użyciu zmodyfikowanego tytanianu strontu domieszkowanego glinem (SrTiO3:Al) fotokatalizator o zewnętrznej wydajności kwantowej do 96%.
Niedawno zespół prof. Wenfenga Shangguana z Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju w Chinach połączył swoje badania z innymi znaczącymi badaniami, aby zapewnić kompleksowy przegląd struktury pasma energetycznego, mikrostruktury, regulacji defektów i strategii domieszkowania wpływających na aktywność fotokatalityczną. Ich skupienie się na domieszkowaniu pierwiastków ziem rzadkich do tlenków kompozytowych na bazie bizmutu ma na celu zwiększenie minimalnego pasma przewodnictwa i osiągnięcie całkowitego rozszczepienia wody w świetle widzialnym. Ich innowacyjna technika domieszkowania asymetrycznego — Selected Local Gradient Doping — umożliwia kontrolowane uwalnianie domieszkowanych jonów, co stanowi obietnicę znaczącego wkładu w badanie nowych materiałów i poprawę efektywności konwersji energii w fotokatalitycznym rozszczepianiu wody w świetle widzialnym.
Odniesienie: „Account of doping photocatalyst for water splitting” autorstwa Wenjiana Fanga, Jiawei Yan, Zhidong Wei, Junying Liu, Weiqi Guo, Zhi Jiang i Wenfeng Shangguan, 22 maja 2024 r., Chiński dziennik katalizy.
DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64637-6
