MoS2 on saanut laajaa huomiota kalskogeniittina, joka toimii tehokkaana ja kustannustehokkaana ko-katalysaattorina vetyntuotannossa elektrolyysissä. Se on halpa ja runsaasti saatavilla, mikä tekee siitä houkuttelevan vaihtoehdon platinalle, joka on kallein ja harvinainen katalyyttimateriaali. MoS2:n aktiivisuutta on kehitetty myös muodostamalla heterorakenteita muun muassa MoSe2:n kanssa, mikä parantaa merkittävästi valosähkökemiallista (PEC) veden hajotusta vedyksi. Esimerkiksi SiNW/MoSe2/MoS2-rakenne saavutti –19,35 mA/cm²:n fotovirran tiheyden, mikä osoittaa MoSe2:n tehokkuuden yhdessä MoS2:n kanssa.

Samankaltaisia ominaisuuksia omaava WS2 toimii usein MoS2:n vertailukohteena, sillä molemmilla on samankaltainen kiderakenne ja energiakaistat. WS2 on myös potentiaalinen platinaa korvaava HER-katalysaattori ja sitä käytetään laajasti heterojunction-rakenteissa, joiden avulla saadaan aikaan parempaa PEC-vesihajotusaktiivisuutta. Erityisesti ohuet 2D-materiaalimuodot, kuten WS2- ja MoS2-nanosheetit, ovat optimaalisia, koska ne tarjoavat paremmat fotokatalyyttiset ominaisuudet verrattuna paksumpiin tai bulk-muotoihin. Esimerkiksi FTO-alustalle valmistetut WS2/MoS2-seokset näyttivät optimaalisen fotovirran tiheyden suhteessa eri seossuhteisiin, ja 1:1 -seos tuotti parhaat tulokset (-25 μA/cm²).

Kalskogeniittien vakaus, erityisesti merivedessä, on keskeinen tekijä pitkäaikaisessa käytössä, sillä materiaaleilta vaaditaan kestävyyttä korroosiota ja liukenemista vastaan. Myös erilaiset heterojunction-rakenteet, kuten SnO2@WS2/p-Si ja Cu2O/TiO2/WS2, osoittavat, että konfiguraatioiden valinta vaikuttaa merkittävästi veden hajotuksen tehokkuuteen.

Kuparioksidit ovat toinen lupaava ryhmä p-tyypin puolijohteita, joita hyödynnetään valosähkökemiallisissa vesihajotuskennoissa. Ne ovat edullisia, helposti valmistettavissa ja sisältävät maankuoren runsaasti esiintyviä, ei-myrkyllisiä alkuaineita. CuO ja Cu2O eroavat toisistaan kiderakenteeltaan ja energiakaistojen leveydeltään, mutta molemmat soveltuvat hyvin auringonvalon absorptioon. Nanorakenteiden, kuten CuO:n nanolankojen tai elektrokemiallisesti kerrostettujen CuO-levyjen, valmistusmenetelmät ovat tehokkaita ja tarjoavat hyviä fotovirran tiheyksiä.

Haasteena kuparioksidien käytössä ovat lyhyt elektronien diffuusiopituus ja huono sähkönjohtavuus, jotka rajoittavat teoreettisen maksimin (35 mA/cm²) saavuttamista. Tästä syystä yksi ratkaisu on valmistaa CuO nanorakenteisiin, kuten 1-ulotteisiin nanolankoihin, jotka parantavat varauksensiirtoa ja johtavuutta. Myös kiteisyyden laatu on ratkaiseva tekijä, sillä virheet kiteessä heikentävät sähkönjohtavuutta ja varausten siirtymistä rajapinnassa puolijohde/neste.

Chalcopyriittiperhe, johon kuuluvat Cu(In,Ga)S2, Cu(In,Ga)Se2 ja niiden variaatiot, ovat merkittäviä p-tyypin puolijohteita, joilla on säädettävissä oleva energiakaista (1,0–2,43 eV). Tämä joustavuus mahdollistaa materiaalin optimoinnin eri sovelluksiin ja parantaa PEC-aktiivisuutta. Chalcopyriitit toimivat usein yhdessä CdS-bufferikerroksen ja Pt- tai Mo-pohjaisen katalysaattorin kanssa, ja niiden fotovirran tiheydet vaihtelevat suuresti käytetyn rakenteen ja elektrolyytin mukaan.

CdS on yleinen n-tyypin puolijohde, jota hyödynnetään usein heterojunction-rakenteissa tai dopanttina PEC-vesihajotuksessa. Kemiallisesti kasatut CdS-kerrokset voivat merkittävästi parantaa vesihajotuksen tehokkuutta. Esimerkiksi Au-rGO@CdS-fotokathodilla saavutettiin merkittävästi parempi fotovirta kuin pelkällä CdS:llä.

Elektrolyytti vaikuttaa ratkaisevasti vetyntuotannon tehokkuuteen PEC-prosesseissa, sillä sen kemiallinen koostumus ja pH-arvo vaikuttavat varausten siirtymiseen ja reaktionopeuksiin. Erilaiset elektrolyytit voivat joko tehostaa tai heikentää kokonaisaktiivisuutta, mikä korostaa materiaalien ja järjestelmien optimoinnin monimutkaisuutta.

On tärkeää ymmärtää, että tehokkaan ja kestävän veden hajotuksen suunnittelussa ei riitä pelkkä materiaalin aktiivisuus. Pitkäaikainen vakaus, erityisesti haastavissa olosuhteissa kuten merivedessä, on välttämätön. Lisäksi nanorakenteiden hallinta, kiteisyyden parantaminen ja rajapintojen optimointi muodostavat kokonaisuuden, joka määrittää käytännön sovellusten onnistumisen. Tästä syystä jatkossa tutkimus keskittyy entistä enemmän heterojunctionien kehittämiseen, materiaalien yhdistelyyn ja valmistusmenetelmien hienosäätöön, jotta voidaan saavuttaa paitsi korkea aktiivisuus myös pitkäikäisyys ja taloudellisuus.

Miten heterojunktiot parantavat valokatalyysitehokkuutta?

Heterojunktioiden rakenne ja elektronikuljetuksen tehokkuus ovat keskeisiä tekijöitä valokatalyysissä. Oikea nauhan kohdistus puolestaan mahdollistaa tehokkaan elektronin kuljetuksen, mikä parantaa materiaalin katalyyttistä suorituskykyä. Esimerkiksi FTO|WO3|Fe2O3, joka on tyypin II heterojunktio, on osoittanut lupaavaa valokatalyyttistä aktiivisuutta, mutta oksidikerrosten kääntäminen heikentää elektronivirrannasta johtuen materiaalin suorituskykyä. Tämän vuoksi FTO|Fe2O3|WO3-luokitus on käänteinen tyypin II heterojunktio (Lima et al., 2022).

Tyypin III heterojunktioissa nauhan reunojen epätasaisuudet estävät elektronien ja aukkojen liikkumisen, mikä rajoittaa niiden soveltamista. Kuitenkin viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että tyypin III heterojunktioilla voi olla hyvä valokatalyyttinen tehokkuus, mikäli liitäntäpintojen virheitä hyödynnetään oikein. Esimerkiksi WO3−x/GdCrO3 -heterojunktio, johon on lisätty virheitä liitäntäpintoihin, parantaa sisäisten sähkökenttien avulla varausten varastointia ja siirtoa, jolloin valokatalyyttinen aktiivisuus, kuten CO2:n ja CH4:n pelkistyminen, saavuttaa huipputasoja (Li et al., 2022).

Tyypin II heterojunktioiden sisällä on useita alaluokkia, kuten Z-skeema, S-skeema ja Schottky-liitokset. Z-skeemassa elektronit siirtyvät vaiheittain yhdestä puolijohteesta toiseen puolijohteeseen, ja tämä estää varauksen rekombinaation tehokkaammin kuin perinteisissä tyypin II heterojunktioissa. Tämä mahdollistaa laajemman materiaalivalikoiman hyödyntämisen valokatalyysissä (Liu et al., 2023b). Parida et al. (2023) ovat rakentaneet 2D/3D Z-skeeman Cu-doped-g-C3N4/BiOBr heterojunktioon, mikä paransi valokatalyyttistä aktiivisuutta merkittävästi. Z-skeeman ja sen vaihesiirron avulla saatiin aikaan tehokas oksidatiivinen hajoaminen, jossa radikaalit muodostuvat alhaisemmassa energiatilassa ja yhdistyvät veden ja hapen kanssa muodostaen reaktiivisia happiyhdisteitä.

S-skeema, joka muistuttaa Z-skeemaa, mutta jossa varauskantajat siirtyvät sisäisen sähkökentän avulla, on myös osoittautunut lupaavaksi. S-skeeman etuna on se, että se mahdollistaa korkeampaa valokatalyyttistä tehokkuutta verrattuna Z-skeemaan, mutta sen soveltamisessa on rajoitteita, erityisesti puolijohteiden sähköisten ominaisuuksien ja soveltuvuuden osalta. Esimerkiksi TiO2/ZnS heterojunktio, joka perustuu S-skeemaan, on saanut aikaan 23,46 %:n aurinkoenergian muuntotehokkuuden, mikä on merkittävä parannus verrattuna perinteisiin menetelmiin (Li et al., 2023c).

Schottky-liitokset eroavat edellä mainituista rakenteista, sillä ne muodostuvat puolijohteiden ja metallimateriaalien, kuten grafiitin tai jalo-metallien, yhdistelmistä. Tässä liitostyypissä metalli toimii ko-katalyyttina, parantaen elektroni- ja aukko-liikennettä puolijohteessa. Schottky-liitoksessa saavutetaan tasapaino sähkökentässä, joka helpottaa elektronien ja aukkojen siirtymistä liitospintaan, jolloin valokatalyyttinen reaktio tehostuu ja selektiivisyys paranee (Deng et al., 2023).

Heterojunktioiden rooli valokatalyysissä on monivaiheinen, ja niiden rakenne voi vaihdella merkittävästi riippuen sovelluksesta. Yksi keskeinen huomioitava tekijä on, että eri puolijohteiden yhteensopivuus on ratkaiseva tekijä onnistuneen heterojunktiorakenteen luomisessa. Hyvin valitut ja valmistetut heterojunktiot mahdollistavat tehokkaamman valonsäteily- ja kemiallisen reaktion yhdistämisen, mikä avaa uusia mahdollisuuksia ympäristön puhdistamiseen ja energian tuotantoon.

Mikä ajaa Donald Trumpin epäluottamusta ja miten se vaikuttaa hänen johtajuuteensa?
Miten Nixonin ja Watergaten tapaus heijastaa presidentin käytäntöjä ja politiikkaa?
Neuraalinen hallinta ja koordinointi: Tärkeitä käsitteitä ja ymmärrystä
Mikä on erilaisten WebForm-ohjauskomponenttien rooli ja käyttö ASP.NET-sovelluksissa?
Nanoteknologia ja älykkäät pinnoitteet: Innovaatioita, jotka muuttavat ympäristömme suojaamisen ja toiminnallisuuden