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光电催化第三讲|光电流基础知识

光电催化系列 2022-08-02 0 848

1. 光电流密度Jp 

在光电化学实验中经常用到光电流密度等作为性能评价参数。 

光电流密度是指在一个太阳光辐照下,光电极产生的光电流与光辐照面积之比。 

通常由光吸收率、体相电子-空穴对分离效率以及表明电荷注入效率决定,随外加偏压变化而变化。 

光电流密度可通过公式(1)表示[1]

光电流密度公式.jpg

实际测得的光电流密度.jpg:实际测得的光电流密度;

半导体光电极具有的最大理论光电流密度.jpg:半导体光电极具有的最大理论光电流密度; 

半导体光电极的光吸收效率.jpg:半导体光电极的光吸收效率; 

半导体光电极的电荷分离效率.jpg:半导体光电极的电荷分离效率; 

半导体光电极表面电荷注入效率.jpg:半导体光电极表面电荷注入效率。

同时,光电转换效率公式(2)

光电极表面的入射光强度.jpg

P0:光电极表面的入射光强度

由公式(2)可知,光电转换效率η与光电流密度Jp成正比,而Jp不仅和光电极对光的吸收和利用率有关,还与光生载流子的内部和界面的分离效率有关,内部的分离效率和界面的分离效率都是决定光电化学性能的重要因素。

2. 光电流密度测试 

在光电化学实验中经常使用电化学工作站以线性伏安扫描技术(LSV)记录光电极产生的光电流随电压的变化曲线(j-V曲线)。 为了确认光电流是否来自于光电响应,通常会在开灯/关灯间隔条件下记录斩波LSV曲线,但因为氙灯光源受发光原理限制,无法实现频繁开/关灯,为了实现开/关灯的效果,会在氙灯光源和光电极之间增设快门装置。

氙灯+快门.jpg

图1. PLS-FX300HU 高均匀性一体式氙灯光源PFS40A 快门

光电流参数.jpg

图2. Transient photocurrent density curves [2-5]

如图2所示,当没有光照时,光电极的电流密度几乎为零,当加入光照时,电流瞬间升高,这就表明增加的电流是由于光照的引入而产生的,但是在电流升高时会有一个尖锐的峰,这可能是由于的导电性不好,光照产生的光生载流子迅速复合造成的。 

瞬态光电流可用于评估光电极中光生电子-空穴分离的情况,光电流越大,分离效率越高。

参考文献

[1] Jiajie Cen, Qiyuan Wu, Mingzhao Liu, Alexander Orlov. Developing new understanding of photoelectrochemical water splitting via in-situ techniques: A review on recent progress[J]. Green Energy & Environment, 2017, 2 (2): 100-111. 

[2] Gao Ruiting, Su Yiguo*, Wang Lei*, et.al. Ultrastable and high-performance seawater-based photoelectrolysis system for solar hydrogen generation[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2022, 304:120883. 

[3] Lin Zhi, Wang Yiqing, Shen Shaohua*, et.al. Single-Metal Atoms and Ultra-Small Clusters Manipulating Charge Carrier Migration in Polymeric Perylene Diimide for Efficient Photocatalytic Oxygen Production[J]. Advanced Energy Materials, 2022, 2200716.

[4] Shi Litong, Sun Xiaodong*, Ma Tianyi*, et.al. Rational Design of Coordination Bond Connected Metal Organic Frameworks/MXene Hybrids for Efficient Solar Water Splitting[J]. Advanced Functional Materials, 2022, 2202571. 

[5] Zhang Weiwei, Zhu Wei Hong*, Andrew I. Cooper*, et.al., Reconstructed covalent organic frameworks[J]. Nature, 2022, 604:72.

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