大多数太阳能燃料装置的设计在面向阳光的表面都有一个光阳极，以便于将析出的O₂(g)气泡排放到大气中。而气泡增加了电极的欧姆电阻，减少了催化裂水半反应的面积。一方面在高电流密度下，气体的释放通常会增加水氧化所需的电势，降低设备效率，从而起到负反馈的作用。另一方面，气泡也提供了一种被动的产品收集方法，可以增加电极表面的传质速率。研究表明，晶态Si非常适合于研究光电化学H₂(g)或O₂(g)演化过程中气泡的成核和生长。

近日，美国加州理工学院Nathan S. Lewis报道了通过对n-Si/TiO₂/Ni光阳极和p-Si光阴极的光线跟踪模拟和实验测量，研究了H₂(g)和O₂(g)的演化对向上光电极光学和电化学性能的影响。

文章要点

1）稀释的氧化还原活性示踪剂可量化在1.0 M KOH（aq）中朝上的光阳极中光阳极O₂(g)演变过程中气泡覆盖过程中的质量传输效应。在面朝上的p-Si光电阴极在0.50 M H₂SO₄（aq）中测量气体覆盖率，可以评估具有各种表面自由能的系统的H₂(g)气泡的成核速率和接触角。

2）在模拟太阳光照射下，研究人员发现，O₂(g)小气泡的快速离开可在向上析氧的硅光阳极上产生稳定的光电流，并且在相对于静止的电解液产生更快的传质速度，这表明气泡可以为太阳能燃料器件中向上光阳极的光电化学性能提供净效益。

P. A. Kempler, Z.P. Ifkovits, W. Yu, A. I. Carim and N. S. Lewis, Optical and electrochemical effects of H₂ and O₂ bubbles at upward-facing Si photoelectrodes, Energy Environ. Sci., 2020

DOI: 10.1039/D0EE02796K

https://doi.org/10.1039/D0EE02796K