(Photo)electrochemical Water Oxidation: From Catalysis to Functional Device
Tid: Ti 2024-01-16 kl 10.00
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Kemi
Respondent: Hao Yang , Organisk kemi, Licheng Sun
Opponent: Professor Marc Koper, Leiden University, Nederländerna
Handledare: Professor Licheng Sun, Molekylär elektronik, CMD, Organisk kemi
QC 20231129
Abstract
Den huvudsakliga utmaningen inom artificiell fotosyntes är att uppnå effektiv elektro- eller fotodriven vattenoxidationskatalys, en nödvändig process för att tillhandahålla protoner för reduktionsreaktioner, vilket möjliggör produktion av solbränsle. För att underlätta effektiv vatten(foto)elektrolys för produktion av solbränsle fokuserar denna avhandling på två aspekter: 1) klargörande av O-O-bindningens bildningsmekanism och utveckling av effektiva, stabila och ekonomiska vattenoxidationskatalysatorer (WOCs); 2) utforskning av stabila, lågkostnads, ljusabsorberande fotoanodematerial som har lämpliga bandstrukturer och utmärkta egenskaper för laddningsdiffusion.
Kapitel 1 ger en översikt över utvecklingen av homogena och heterogena WOCs, med särskilt fokus på katalytiska mekanismer. Därefter introduceras framstegen inom ljusinsamlingsmaterial för fotoelektrokemiska celler och framstegen inom det växande området av blyhalid-perovskitbaserade fotoanoder lyfts fram.
Kapitel 2 klargör de fysiska och elektrokemiska karakteriseringsmetoderna, tillsammans med de protokoll som används för mekanismundersökningar i denna avhandling.
Kapitel 3 introducerar ett värd-gäst-komplex, självmonterat genom Co2+ och cucurbit[5]uril (CB[5]), som en supramolekylär WOC. Denna katalysator, Co@CB[5], immobiliserades på substrat av indiumtennoxid och BiVO4-fotoanoder för elektrokemisk och fotoelektrokemisk vattenoxidation. Rollen för Co@CB[5] i gränsskiktets laddningstransfer undersöks genom spektroskopisk och elektrokemiska studier.
Kapitel 4 redogör för en molekylärt väldefinierad heterogen WOC med kvävesammansatta, π-konjugerade mikroporösa polymerkoordinerade enskilda koboltställen (Aza-CMP-Co). Genom att integrera experimentella och teoretiska resultat belyser detta arbete betydelsen av elektrolytens pH och rollen av att reglera den intramolekylära hydroxyl-nukleofila anfallsvägen för att förbättra vattenoxidationsaktiviteten.
Kapitel 5 presenterar en stabil fotoanod av formamidinium blybromid (FAPbBr3) för vattenoxidation för att uppnå en exceptionellt låg startpotential. Teoretiska beräkningar och spektroskopisk karakteriseringar avslöjar ursprunget till den låga startpotentialen, vilket ger avgörande insikter för den fortsatta utvecklingen av fotovoltaiska materialbaserade fotoelektroder för solbränsletillämpningar.