私たちの町や都市の照明、私たちが運転する車、さらには電子機器の充電や電力供給さえも、燃料からのエネルギーに依存しています。世界が従来の化石燃料源から移行するにつれて、エネルギーを提供する持続可能な「グリーン」燃料源が必要になります。
水素 (H2 ) は、最も有望な持続可能な燃料の 1 つとして浮上しています。エネルギー密度が高く (120 MJ/kg)、クリーンに燃焼し、副産物として水と熱のみを生成します。ただし、H2 水素は地球上に自然には存在せず、ほとんどの水素は天然ガスの改質によって生成されますが、これは主に持続不可能な長期的な製造方法と見なされています。太陽は地球の無期限の資源の 1 つであるため、太陽による水素製造が望ましい道であることは驚くべきことではありません。
ソーラーアシスト水分解 (光電気化学水分解とも呼ばれます) は、太陽のエネルギーと触媒を使用して水を分解するプロセスです (H2 O) 水素と酸素に。この水分解反応は、温室効果ガスや危険な副産物を生成せず、持続可能な水素生産への道筋を提供する可能性があります。多くの光活性触媒のうち、ヘマタイトとして知られる酸化鉄結晶 この反応を研究するための最も魅力的な材料の 1 つです。太陽スペクトルの大部分にわたって光を吸収することができ、理論上の太陽から水素への変換効率は 15% です。さらに、それは安価で、豊富で、毒性がなく、トリッキーな酸素発生半反応を実行するのに適しています.しかし、赤鉄鉱は、高い電荷再結合率や表面での反応速度の遅さなどの電子特性の悪さにより、その期待に比べて実験的に性能が低下しています。
ヘマタイトの表面を改質して、水分解反応を実行する能力を向上させることは可能ですか?はい。実際、何人かの研究者が、無機および有機の表面コーティングにこの効果があることを実証しています。具体的には、炭素コーティングは、ヘマタイトの性能を向上させる大きな可能性を示しています (光電流密度の値で測定)。しかし、これらの炭素コーティングがヘマタイトを改善するメカニズムはよくわかっていません。私たちの最近の研究では、このメカニズムを解明する試みとして、炭素 (グラフェン) の 1 原子層がヘマタイトの上層として与える影響を提案し、研究しています。
グラフェンは、光電極を改善し、この改善の背後にあるメカニズムを研究するための優れた潜在的な上層となる、他の種類の炭素にはない独特の特性を持っています。その高い移動度の電荷キャリアは、ヘマタイトの劣った電気特性を相殺するのに役立つ可能性があります。それは不活性であるため、水分解環境で安定しています。単層グラフェンは、化学気相成長法によって確実に合成でき、光触媒の表面に簡単に転写できるため、簡単で再現性のある製造が可能になります。
グラフェン コーティングは、水分解反応を触媒するヘマタイトの能力を向上させます。光電流密度は、むき出しの光電極と比較して、グラフェンの存在下で良好な再現性で 1.6 倍に増加します。
グラフェン上層の役割をさらに調査するために、速度論的研究が行われます。反応の全体的な効率は、2 つの速度定数に依存します。電荷が表面から水分解反応に移動する速さ (電荷移動速度、ktrans) ) と電荷の再結合の速さ (krec ) (図 1 に示されています)。グラフェンが存在すると、電荷移動速度が実際に低下することがわかりました。電荷の再結合率に関しては、劇的な減少が見られます。
たとえば、特定の電位では、ここで研究されている裸のヘマタイトの表面の電荷は71秒の速度で再結合しますが、グラフェンでコーティングされたヘマタイトの再結合速度は13秒です。この再結合の大幅な減少により、水分解反応に関与する電荷キャリアの収率が高くなり、これが性能向上の根本的な原因である可能性があります。全体として、これにより反応の電荷移動効率が 8% 向上します。
結論として、単層グラフェンをヘマタイトの表面に転写することにより、グラフェンでコーティングされたヘマタイト光電極を作成できます。これは、水分解半反応の効率が高いことを示しています。この研究ではヘマタイトがテスト材料として選択されましたが、グラフェンやその他の炭素ベースの被覆層は、表面再結合を減らし、さまざまな半導体光電極の触媒特性を改善するのに役立つ可能性があると考えています。水分解反応とそれを改善するためのメカニズムを理解することは、水素燃料の持続可能な生産のための高効率で商業的に実行可能な光電極と光電気化学セルを最終的に設計するために不可欠です。
