Évaluation du flux local d'oxygène produit par l'oxydation d'hydroxyde photoélectrochimique par microscopie électrochimique à balayage

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5019 (2023) Citer cet article

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Plusieurs approches électrochimiques in situ ont été développées pour effectuer une étude photoélectrochimique localisée de la photoanode. L'une des techniques est la microscopie électrochimique à balayage (SECM), qui sonde les cinétiques de réaction hétérogènes locales et les flux d'espèces générées. Dans l'analyse SECM traditionnelle des photocatalyseurs, l'évaluation de l'influence du rayonnement sur la vitesse de réaction étudiée nécessite une expérience supplémentaire sur fond sombre. Ici, en utilisant le SECM et un microscope optique inversé, nous démontrons la détermination du flux d’O2 provoqué par la division photoélectrocatalytique de l’eau induite par la lumière. Le signal photocatalytique et le fond sombre sont enregistrés dans une seule image SECM. Nous avons utilisé une électrode d'oxyde d'étain et d'indium modifiée avec de l'hématite (α-Fe2O3) par électrodéposition comme échantillon modèle. Le flux d’oxygène induit par la lumière est calculé par analyse de l’image SECM enregistrée en mode génération de substrat/collecte de pointes. En photoélectrochimie, la connaissance qualitative et quantitative de l’évolution de l’oxygène ouvrira de nouvelles portes pour comprendre les effets locaux des dopants et des piégeurs de trous de manière simple et conventionnelle.

Divers catalyseurs ont été essayés pour réduire l’énergie électrique nécessaire à la division de l’eau dans le cas de la production d’énergie renouvelable utilisant l’électrolyse de l’eau en présence de lumière1,2. Lors de la réalisation d'une réaction de dégagement d'hydrogène (HER), la vitesse globale du processus (dissociation de l'eau) est souvent limitée par la vitesse du processus se produisant sur la deuxième électrode. L’efficacité des photoanodes est donc essentielle. Étant donné que l’oxydation de l’eau est thermodynamiquement plus difficile que la réduction de l’eau en hydrogène, la recherche sur les photoanodes est davantage encouragée3. En démontrant une réduction du surpotentiel et/ou un courant photocatalytique plus élevé, de nombreux types de matériaux sous leurs formes inchangées ou modifiées ont été évalués pour une oxydation efficace de l'eau4,5,6. L’ingénierie efficace des photoanodes à séparation d’eau, outre les mesures photoélectrochimiques traditionnelles, nécessite une caractérisation rapide des surfaces in situ.

L'une des techniques électrochimiques in situ, la microscopie électrochimique à balayage (SECM), a été utilisée pour analyser localement les surfaces des photoanodes7,8,9,10,11,12,13,14. Différentes approches ont été utilisées pour développer la technologie SECM, en particulier dans la méthode d'éclairage, qui permet une analyse de surface simple et directe avec une résolution spatiale et temporelle élevée, depuis l'éclairage d'une grande zone de photocatalyseurs analysés jusqu'à l'éclairage local de la zone analysée par SECM. par laser ou en utilisant la pointe SECM comme fibre optique14. De nombreux défauts, notamment l'ombre partielle de la surface photoactive avec l'ultramicroélectrode et la sursaturation facile de l'électrolyte avec le gaz produit, sont révélés par un éclairage à plus grande échelle, en particulier du côté supérieur. Différentes mises à jour du dispositif SECM ont été réalisées, notamment avec les microélectrodes pour l'éclairage local. La conception de microélectrodes en forme d'anneau avec fibre optique interne coaxiale pour un éclairage local limite la résolution de l'imagerie électrochimique10,14,15. De plus, cette méthode de modification des microélectrodes prend du temps et nécessite un processus de fabrication complexe. Une autre méthode d’éclairage local de l’échantillon analysé par SECM pour éviter l’ombre causée par la pointe SECM est l’émission de lumière à travers la gaine de verre isolante de la microélectrode16. Cette approche permet d'enregistrer le photocourant de l'échantillon et le courant de pointe correspondant à la collection faradique du produit (par exemple O2) de la réaction photocatalytique générée au niveau de l'échantillon, tous deux en fonction de la position latérale de la sonde. Cependant, il est difficile de récupérer des informations quantitatives sur le flux local des produits générés. L'évolution de l'oxygène fournit des informations quantitatives sur le processus photoélectrochimique sous la forme du flux de produit généré. Ainsi, il est impératif de mesurer l’oxygène dégagé individuellement et quantitativement pour comprendre la véritable efficacité de la photoanode. Avec l’utilisation d’une électrode à pointe SECM, une méthode d’analyse de surface plus simple de la photoanode offrant une photogénération d’O2 qualitativement et quantitativement est requise.

ca. 10 s, water reduction starts (Eq. 1), which requires growing overpotential due to local alkalization near the electrode. After ca. 55 s, iron hydroxide is formed and the potential stabilizes. The production of hematite is also aided by oxygen reduction at the cathode, causing a local increase in pH. Galvanostatic cathodic electrodeposition causes the creation of a thin, brown color coating on the surface of transparent ITO (Fig. 2a-Inset-left image). After annealing, a brown color film turns into a translucent yellowish-orange film, most likely as a result of moisture evaporation and the conversion of hydroxide to oxide (Fig. 2a-Inset-right image). X-ray diffraction was used to characterize the finished product after annealing. Glass and ITO were employed as a reference for the substrate in order to verify the product formation. A prominent peak at 33.15°21 and the suppression of the ITO peak at 21.25°, 30.39°, 35.35°, 50.76°, and 60.25° are evidence of the thin film deposition of Fe2O3 (Fig. 1b). Due to the lack of crystallinity, the quality of the broad peak at 24.5°, which is related to glass, remains unchanged. Various elements seen in the general survey XPS spectrum, including Fe and O, are derived from α-Fe2O3, while In, Sn and O are components of ITO (Fig. 2c). In addition, XPS could also detect C as a surface impurity. Two major peaks, corresponding to Fe 2p3/2 and Fe 2p1/2, are seen as a distinctive property of Fe at binding energies of 710.93 and 724.6 eV, respectively (Fig. 2d)./p>