Гетероструктурные материалы для фотоэлектрохимического преобразования солнечной энергии (заключительный)

В отчетный период решались следующие задачи: 1. Модификация электродных гетероструктурных материалов для фотоэлектрохимической ячейки, путем подбора металлов для медиаторных слоев и оптимизации материалов электрических контактов для повышения эффективности процессов фотовосстановления СО2 и получения H2. 2. Физико-химическая характеризация модифицированных фотоактивных систем и определение эффективности их работы в исследуемых фотоэлектрохимических процессах. 3. Создание фотоэлектрохимической ячейки, включающей подобранные гетероструктурные фотоактивные материалы, реализующие Z-схему, и фотоэлементом на основе галогенидных перовскитов и кремния в качестве компонентов фотокатода. Подбор материалов электрических контактов для систем. 4. Тестирование сконструированного лабораторного реактора на основе последовательной комбинации фотоэлектрохимической системы и элемента фотовольтаики в процессах фотовосстановления CO2 и получения H2. Оптимизация параметров работы системы (толщина слоев, морфология поверхности, интенсивность фотовозбуждения, спектральный состав возбуждающего света). 5. Командировки для участия в работе XII Международной конференции «Механизмы каталитических реакций» (MCR-XII) (Владимир, 24 -28 июня 2024 г.) с докладами. 6. Подготовка к печати 3 статей и отправка в печать в международные рейтинговые журналы. При решении Задачи 1 были отработаны и реализованы методы послойного формирования гетероструктур с интерфейсом на основе Au, Cu, Ni. Сформированы гетроструктурные электроды BiVO4/Au/CuBi2O4, BiVO4/Cu/CuBi2O4, BiVO4/Ni/CuBi2O4. Кроме того, были синтезированы гетероструктурные электроды на основе чистого и допированного ионами Ti BiVO4. При решении Задачи 2 была проведена всесторонняя физико-химическая характеризация созданных гетероструктурных электродов, подтверждающая химический и фазовый состав структур и определяющая их основные электронные характеристики, такие как работа выхода, тип проводимости, потенциал плоских зон. По совокупности полученных результатов можно сделать вывод о перспективности применения гетероструктурных электродов BiVO4/Ni/CuBi2O4 в качестве катода и Ti-BiVO4/BiVO4 в качестве анода в фотоэлектрохимических системах преобразования солнечной энергии. При решении Задачи 3 проведено тестирование сформированных гетероструктурных электродов в фотоэлектрохимической системе. Показано, что для гетероструктур с металлическим интерфейсом характерно изменение режима фототока с анодного на катодный, что характерно для механизма реализации Z-схемы фотовозбуждения и разделения зарядов на гетеропереходе. Наибольшую активность проявляет гетероструктурный электрод BiVO4/Ni/CuBi2O4. С другой стороны, гетероструктурный электрод типа Ti-BiVO4/BiVO4 демонстрирует увеличение эффективности разделения зарядов при реализации II типа гетероперехода. Для повышения эффективности фотоэлектрохимических процессов была создана система, комбинирующая фотоэлектрохимическую ячейку с гетероструктурными электродами и элементы фотовольтаики на основе кремния и галогенидного перовскита. При решении задачи 4 было проведено тестирование совместного действия элементов фотовольтаики и гетероструктурных электродов в фотоэлектрохимической ячейке при их последовательном подключении. Показано, что совместное действие элементов фотовольтаики и фотоэлектрохимической системы с гетероструктурными электродами приводит к значительному повышению эффективности преобразования света в продукты электрохимических процессов получения водорода и фотовосстановления СО2. Определены параметры эффективности получения водорода в комбинированной системе. При решении Задачи 5 ключевой исполнитель проекта Мурашкина Анна Андреевна выступила с устным докладом на тему «Фотоэлектрохимическое поведение гетеросистемы на основе CuWO4-CuBi2O4» на Всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская фотоника — 2024», Красноярск, 16-20 сентября 2024 года. При решении Задачи 6 были подготовлены к публикации и направлены в печать 3 статьи: 1. Elena S. Siliavka, Aida V. Rudakova, Tair V. Bakiev, Anna A. Murashkina, Anna V. Shurukhina, Alexei V. Emeline, Detlef W. Bahnemann, Mechanism of charge separation in type II heterostructure: CuBi2O4-BiVO4 system. J. Phys. Chem. C, 2024, на рассмотрении рецензентами. Q1 2. Anna A. Murashkina, Aida V. Rudakova, Tair V. Bakiev, Alexei V. Emeline, Detlef W. Bahnemann, Charge Transfer Mechanism in Type II WO3/Cu2O Heterostructure. Nanomaterials, 2024, на рассмотрении рецензентами. Q1 3. Anna A. Murashkina, Tair V. Bakiev, Aida V. Rudakova, Alexei V. Emeline, Detlef W. Bahnemann, Photoelectrochemical Behavior of Heterostructure Based on Doping Effect: BiVO4/BiV1-xTixO4 system. ChemElectroChem, 2024, на рассмотрении рецензентами. Q2 План исследований на 2024 год выполнен полностью.