Avaliação do fluxo local de oxigênio produzido pela oxidação fotoeletroquímica do hidróxido por microscopia eletroquímica de varredura

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5019 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Várias abordagens eletroquímicas in-situ foram desenvolvidas para realizar uma investigação fotoeletroquímica localizada do fotoânodo. Uma das técnicas é a microscopia eletroquímica de varredura (SECM), que investiga a cinética de reação heterogênea local e os fluxos das espécies geradas. Na análise tradicional de fotocatalisadores por SECM, a avaliação da influência da radiação na taxa de reação estudada requer um experimento adicional de fundo escuro. Aqui, usando SECM e um microscópio óptico invertido, demonstramos a determinação do fluxo de O2 causado pela divisão fotoeletrocatalítica da água acionada pela luz. O sinal fotocatalítico e o fundo escuro são registrados em uma única imagem SECM. Utilizamos um eletrodo de óxido de índio e estanho modificado com hematita (α-Fe2O3) por eletrodeposição como amostra modelo. O fluxo de oxigênio acionado pela luz é calculado pela análise da imagem SECM registrada no modo de geração de substrato/coleta de pontas. Na fotoeletroquímica, o conhecimento qualitativo e quantitativo da evolução do oxigênio abrirá novas portas para a compreensão dos efeitos locais de dopantes e eliminadores de buracos de maneira direta e convencional.

Uma variedade de catalisadores foram tentados para reduzir a energia elétrica necessária para a divisão da água no caso da geração de energia renovável utilizando eletrólise da água na presença de luz . Ao realizar uma reação de evolução de hidrogênio (HER), a taxa geral do processo (divisão da água) é frequentemente limitada pela taxa do processo que ocorre no segundo eletrodo. Portanto, a eficiência do fotoanodo é essencial. Como a oxidação da água é termodinamicamente mais desafiadora do que a redução da água em hidrogênio, a pesquisa em fotoanodos é mais incentivada3. Ao demonstrar sobrepotencial reduzido e/ou corrente fotocatalítica mais elevada, muitos tipos de materiais em suas formas inalteradas ou modificadas foram avaliados quanto à oxidação eficaz da água . A engenharia eficiente de fotoanodos de divisão de água, além das medições fotoeletroquímicas tradicionais, requer uma rápida caracterização da superfície in-situ.

Uma das técnicas eletroquímicas in-situ, a microscopia eletroquímica de varredura (SECM), tem sido utilizada para analisar localmente as superfícies dos fotoanodos . Diferentes abordagens têm sido utilizadas para desenvolver a tecnologia SECM, particularmente no método de iluminação, que permite análises de superfície simples e diretas com alta resolução espacial e temporal, desde a iluminação de uma grande área de fotocatalisadores analisados ​​até a iluminação local da área analisada por SECM. por laser ou utilizando ponta SECM como fibra óptica14. Numerosas falhas, incluindo o sombreamento parcial da superfície fotoativa com o ultramicroeletrodo e a fácil supersaturação do eletrólito com o gás produto, são reveladas pela iluminação em maior escala, especialmente na parte superior. Foram feitas diversas atualizações na configuração do SECM, principalmente com microeletrodos para iluminação local. O design de microeletrodos em forma de anel com fibra óptica interna coaxial para iluminação local limita a resolução da imagem eletroquímica . Além disso, este método de modificação de microeletrodos leva tempo e requer um processo de fabricação complexo. Outro método de iluminação local da amostra analisada por SECM para evitar o sombreamento pela ponta do SECM é a entrega de luz através da bainha de vidro isolante do microeletrodo . Esta abordagem permite registrar a fotocorrente da amostra e a corrente de ponta correspondente à coleta faradaica do produto (por exemplo, O2) da reação fotocatalítica gerada na amostra, ambas em função da posição lateral da sonda. No entanto, a recuperação de informações quantitativas sobre o fluxo local de produtos gerados é um desafio. A evolução do oxigênio fornece informações quantitativas sobre o processo fotoeletroquímico na forma do fluxo do produto gerado. Assim, é imperativo medir o oxigênio evoluído individual e quantitativamente para compreender a verdadeira eficiência do fotoanodo. Com o uso de um eletrodo de ponta SECM, é necessário um método de análise de superfície mais simples do fotoanodo que ofereça fotogeração de O2 qualitativa e quantitativamente.