ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ (промежуточный, этап 1)

Проект направлен на создание гетероструктурных материалов и тандемных систем для повышения эффективности процесса фотоэлектрохимического преобразования солнечной энергии в химическое топливо. Для создания таких фотоактивных материалов и систем на их основе предлагается формирование гетероструктур, реализующих Z-схему, и гетероструктур III-его типа, а также комбинации элементов фотоэлектрохимической систем и систем фотовольтаики. В соответствии с планом исследований в отчетный период выполнялись исследования, направленные на решение следующих задач: 1. Синтез различными методами оксидов металлов: BiVO4, WO3, CuCo2O4, как полупроводников n-типа и, Cu3VO4, CuBi2O4, Cu2O, как полупроводников р-типа для формирования на их основе монокомпонентных и гетероструктурных планарных структур. 2. Формирование гетероструктур, реализующих Z-схему гетероперехода, различными методами на основе синтезированных оксидов металлов. 3. Физико-химическая характеризация качественного и количественного состава синтезированных материалов и их поверхности методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, энерго-дисперсионного анализа, установления фазового состава и параметров кристаллической структуры с помощью метода рентгенофазового анализа, структуры и морфологии поверхности планарных материалов методами электронной микроскопии. 4. Исследование оптических и фотофизических свойств сформированных монокомпонентных и гетероструктурных планарных систем: определение ширины запрещенной зоны компонентов планарных гетероструктур и электродов на их основе методами спектроскопии поглощения и/или диффузного отражения; определение энергии потолка валентной зоны и ее структуры методами рентгеновской и/или УФ фотоэлектронной спектроскопии; определение термической работы выхода методом зонда Кельвина и положения уровня Ферми методом фотоэлектронной спектроскопии; определение фазово частотных характеристик полупроводника (определение активного и емкостного сопротивлений планарных структур, постоянной времени электрохимической реакции) методом импедансной спектроскопии; установление вольт-амперных характеристик методами циклической и стационарной вольтамперометрии для оценки потенциала открытой цепи и значений максимального и стационарного фототока, мощности фотоэлемента; измерение спектральных зависимостей эффективности преобразования света в фототок, сопоставление спектральных зависимостей фототока со спектрами поглощения материалов. 5. Создание фотоэлектрохимических систем на основе тандема фотоанодфотокатод, реализующих Z-схему переноса заряда, на основе синтезированных монокомпонентных и гетероструктурных планарных структур. 6. Исследование фотоэлектрохимических характеристик тандемных систем на основе фотоанод-фотокатод, реализующих Z-схему, с получением параметров вольтамперной измерений: циклические и стационарные вольтамперные зависимости, зависимости фототока в режиме on-off с оценкой стабильности работы систем, оценка эффективности протекания целевых фотохимических реакций. 7. Подготовка материалов для публикации 2-х статей в высокорейтинговых международных журналах. В результате проведенных исследований были получены следующие результаты: - разработаны и реализованы методики синтеза фотоактивных материалов (Cu3VO4, CuBi2O4, Cu2O, BiVO4, WO3, CuCo2O4) для формирования электродов - получены основные физико-химические характеристики синтезированных фотоактивных материалов: кристаллическая структура, зонная структура (положение потолка валентной зоны, ширина запрещенной зоны, положение дна зоны проводимости, положение уровня Ферми), спектры поглощения синтезированных образцов. - разработаны методики формирования монокомпонентных (для тандемных систем и систем сравнения) и гетероструктурных электродов для фотоэлектрохимических систем, в которых реализуется Z-схема фотовозбуждения и разделения зарядов, на основе выбранных для формирования гетероструктур образцов. - определены основные физико-химические характеристики сформированных гетероструктурных материалов: положение уровня Ферми гетероструктур, частотные характеристики импеданса гетероструктур и их изменение при фотовозбуждении светом различного спектрально состава, потенциалы плоских зон, спектры поглощения сформированных гетероструктур. - определены основные вольтамперные характеристики планарных гетероструктурных электродов и тандемных систем (вольт-амперные зависимости, изменение тока в режиме on-off, стабильность стационарного тока) и спектральные зависимости эффективности фотопроцессов в фотоэлектрохимических системах. - продемонстрирована реализация Z-схемы фотовозбуждения и разделения зарядов в тандемных фотоэлектрохимических системах и системах с гетероструктурными электродами. - результаты экспериментальных исследований процессов фотоэлектрохимического восстановления СО2 и воды с использованием полученных фотоэлектродов различного состава. Зарегистрированы первичные продукты фотовосстановления углекислого газа – муравьиная кислота