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科學新知:2021 Nat. Commun., O-BP 電催化劑如何保護 MAPbI3 鈣鈦礦並達成高穩定?

  Nature Communications (IF 14.919) 於2021年11月刊登韓國國立蔚山科學技術研究院 (UNIST) Ji-Wook Jang、Dongrak Oh 等人的研究成果。研究團隊結合氧化巴基紙和鈣鈦礦光電陰極,製作出無輔助太陽能裝置,並生產過氧化氫。

  過氧化氫 (H2O2) 是一種相當具有前景的環保型氧化劑,其能量密度與壓縮 H2 的能量密度相當。目前 H2O2 生產策略主要為蒽醌氧化過程,需仰賴大量的能量和有機化學品。另一種簡單且環保的方法,是以光催化劑為基礎,將 O2 還原為 H2O2。然而,太陽能到 H2O2 的轉換效率卻受到兩個因素的限制,包含光電極的低性能、電催化劑的低選擇性與穩定性。在此研究中,研究團隊選用氧化的巴基紙 (oxidised buckypaper, O-BP) 作為電催化劑,成功以 Field 金屬 (Field’s metal, FM) 鈍化高性能 MAPbI3 鈣鈦礦 (PSK) 光電陰極。通過 FM 連接的 O-BP 電催化劑有效地保護了 PSK,並防止水滲透。

solar hydrogen peroxide (H2O2) production system Quantum Efficiency

  研究團隊使用太陽光模擬器對光伏特性進行分析,並搭配量子效率測量系統進行光譜分析。同時,也對太陽光模擬器下的短路電流,進行Jsc (short-circuit current density) 的比對,以證明實驗的真確性。研究結果顯示,在定期供應新鮮電解液的條件下,O-BP 電催化劑的 H2O2 生產選擇性接近 100%,且在 100 h 內具有良好的穩定性。此外,研究團隊使用包含 O-BP/FM/PSK 光電陰極和 a-NiFeOx 陽極的雙電極系統展示了無輔助的太陽能 H2O2 生產,其太陽能製氫 (solar-to-chemical (H2O2) conversion efficiency, SCC) 為 ~1.463%;該系統在 1-sun 光照下穩定 45 h,具有 100% 的 H2O2 生產選擇性。研究團隊也進一步說明,透過優化PSK、ETL、HTL和電催化劑,可以提高整個系統的 SCC(%) 和穩定性。

Carbon materials performance characterisation Quantum Efficiency

碳材料性能:表徵和氧還原。

Perovskite photocathode O-BP ORR IPCE

O-BP 結合 PSK 光電陰極:表徵和 ORR 活性。

Solar H2O2 production photocathode system Quantum Efficiency
整合光電陰極系統的無輔助太陽能 H2O2 生產。

關鍵字: 鈣鈦礦、Perovskite、過氧化氫、H2O2、oxidised buckypaper、SCC、量子效率 、Quantum Efficiency

原文:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26832-5

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