מניע את העתיד: תאי PEC חסרי פניות משיגים יעילות חסרת תקדים

במהלך העשור האחרון, התהליך הפוטואלקטרוכימי (PEC) עבור פיצול מים כולל (OWS) ראה התפתחות מקיפה, במיוחד בתחומים של זרזים חדשים, שיטות אפיון ומנגנוני תגובה. כאשר משווים את תגובת התפתחות המימן (HER) לתגובת התפתחות החמצן (OER), האחרונה נחשבת להיבט המאתגר יותר של OWS, בעיקר בשל הקינטיקה האיטית שלו.

כדי להפחית את צריכת ההטיה של פוטואנודות, פותחה סדרה של חצי תגובות אלטרנטיביות OER, כגון תגובות חמצון של אלכוהול, אוריאה ואמוניה. המטרה הסופית של הפוטוכימיה היא לייצר תא PEC יעיל בעל שתי אלקטרודות ללא משוא פנים. עם זאת, רוב המחקרים הקודמים התמקדו רק בתכונות האלקטרודה הפועלת בתא בעל שלוש האלקטרודות, בעוד שהקיטוב באלקטרודה הנגדית התעלם במידה רבה. המנגנון הסינרגי בין חמצון אנודי לחצי תגובות הפחתה קתודית עדיין לא ברור.

א) סכמטי של מדידות התפלגות הטיה. ב-ה) התפלגות הטיה בתאי PEC OWS עם פוטואנודות שונות ו) מסלולי הפעלה תואמים של OWS. קרדיט: Science China Press

לאחרונה, קבוצתו של פרופסור יוצ'או ג'אנג הציעה שיטה ניסיונית למדידת התפלגות ההטיה בתא PEC בעל שתי אלקטרודות, תוך מחקר שיטתי של התפלגות ההטיה בין פוטואנודות מייצגות וקתודות Pt בתאי PEC OWS. בפעם הראשונה, הם הראו שחצי תגובת ה-OER היא לא תמיד הגורם המגביל את הקצב של ה-OWS, וצריכת ההטיה של אלקטרודות תלויה בפוטו-מתח של הפוטואנודה וברמת הפרמי של הקתודה.

מחקרים נוספים על ידי שימוש ב-Ni/n-Si כדגם הפוטואנודה הראו שניתן להתאים ביעילות את התפלגות ההטיה בתגובה הכוללת על ידי כוונון ה-pH האלקטרוליט וחצי תגובות משולבות. בהתאם, הם הציעו מתאר להערכת התאימות בין חצי תגובות שונות, אשר הצביע על שיטה כללית לתכנון תא תגובה כולל יעיל של PEC. בהשראת זה, הם ייצרו תא PEC חסר פניות המורכב רק מפוטואנודת Ni/n-Si וקתודה Pt עם זרם פוטו של 5.3 ± 0.2 mA ס"מ.⁻².