Preview

Вестник Казахстанско-Британского технического университета

Расширенный поиск

ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА: ОТ БАЗОВЫХ ПРИНЦИПОВ ДО ПОСЛЕДНИХ ДОСТИЖЕНИЙ (обзорная статья)

https://doi.org/10.55452/1998-6688-2025-22-2-351-366

Аннотация

Рост населения, экономическое и промышленное развитие способствуют росту потребления энергии человеком. Метод фотоэлектрохимического получения водорода является одной из экологически чистых и экономичных технологий, позволяющих поддерживать баланс между годовым количеством производимой энергии и развитием человечества. Поэтому исследование материалов в этом направлении и их совершенствование, повышение эффективности и стабильности является важной научно-технической задачей. Фотоактивные полупроводники поглощают солнечную энергию и преобразуют ее в электрическую энергию (или непосредственно в химическую энергию), отделяя водород и кислород от молекул воды путем проведения процесса электролиза. В статье рассмотрены принцип и механизм процесса фотоэлектролиза, основные требования к материалам и последние инновации в этом направлении. Объясняются реакция расщепления воды, а также основные параметры и понятия. В данной работе были проведены сравнение и анализ эффективности преобразования солнечного света в водород на основе современных знании. В заключение показывается, что эффективность фотоэлектрического элемента зависит от качества, сложности и конфигурации материала.

Об авторах

А. А. Мархабаева
Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Национальная нанотехнологическая лаборатория открытого типа; Институт прикладных наук и информационных технологий
Казахстан

 PhD 

 г. Алматы 



Ж. К. Калкозова
Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Национальная нанотехнологическая лаборатория открытого типа; Институт прикладных наук и информационных технологий
Казахстан

 ассоц. профессор, к.ф.-м.н. 

 г. Алматы 



Е. С. Мухаметкаримов
Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Национальная нанотехнологическая лаборатория открытого типа; Институт прикладных наук и информационных технологий
Казахстан

 PhD, доцент 

 г. Алматы 



А. Б. Қожахмет
Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Национальная нанотехнологическая лаборатория открытого типа
Казахстан

 бакалавр 

 г. Алматы 



А. О. Қуандық
Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Национальная нанотехнологическая лаборатория открытого типа
Казахстан

 бакалавр 

 г. Алматы 



Ф. Е. Бөжеев
Институт прикладных наук и информационных технологий; Институт фотоэлектрохимии при центре Гельмголц Хереон
Казахстан

 PhD 

г. Алматы

г. Гестахт, Германия 



Список литературы

1. Yang W., et al. Strategies for enhancing the photocurrent, photovoltage, and stability of photoelectrodes for photoelectrochemical water splitting // Chem. Soc. Rev. – 2019. – Vol. 48. – No. 19. – P. 4979–5015.

2. Markhabayeva A., et al. Effect of synthesis method parameters on the photocatalytic activity of tungsten oxide nanoplates // AIP Advances. – 2021. – Vol. 11. – No. 9.

3. Chen Z., et al. Accelerating materials development for photoelectrochemical hydrogen production: Standards for methods, definitions, and reporting protocols // Journal of Materials Research. – 2010. – Vol. 25. – No. 1. – P. 3–16.

4. Мархабаева А. и др. Синтез микрокубиков Cu2O для фотохимического разложения воды // Вестник. Серия Физическая (ВКФ). – 2023. – Т. 85. – №. 2. – С. 36–41.

5. Hisatomi T., Kubota J., and K. Domen. Recent advances in semiconductors for photocatalytic and photoelectrochemical water splitting // Chemical Society Reviews. – 2014. – Vol. 43. – No. 22. – P. 7520–7535.

6. Osterloh F.E. and B.A. Parkinson. Recent developments in solar water-splitting photocatalysis // MRS bulletin. – 2011. – Vol. 36. – No. 1. – P. 17–22.

7. Fujishima A. and K. Honda. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode // Nature. – 1972. – Vol. 238. – No. 5358). – P. 37–38.

8. Wang S., Liu G., and L. Wang. Crystal facet engineering of photoelectrodes for photoelectrochemical water splitting // Chemical reviews. – 2019. – Vol. 119. – No. 8). – P. 5192–5247.

9. Zhou D. and K. Fan. Recent strategies to enhance the efficiency of hematite photoanodes in photoelectrochemical water splitting // Chinese Journal of Catalysis. – 2021. – Vol. 42. – No. 6. – P. 904–919.

10. Forster M., et al. Oxygen deficient α-Fe2O3 photoelectrodes: A balance between enhanced electrical properties and trap-mediated losses // Chemical science. – 2015. – Vol. 6. – No. 7. – P. 4009–4016.

11. Sivula K., Le Formal F., and M. Grätzel. Solar water splitting: progress using hematite (α- Fe2O3) photoelectrodes // ChemSusChem. – 2011. – Vol. 4. – No. 4. – P. 432–449.

12. Sharma P., Jang J.W., and J.S. Lee. Key strategies to advance the photoelectrochemical water splitting performance of α- Fe2O3 photoanode // ChemCatChem. – 2019. – Vol. 11. – No. 1. – P. 157–179.

13. Joy J., Mathew J., and S.C. George. Nanomaterials for photoelectrochemical water splitting–review // Inter. Journal of hydrogen energy. – 2018. – Vol. 43. – No. 10. – P. 4804–4817.

14. Ueno K., Oshikiri T., and H. Misawa. Plasmon- induced water splitting using metallic- nanoparticleloaded photocatalysts and photoelectrodes // ChemPhysChem. – 2016. – Vol. 17. – No. 2. – P. 199–215.

15. Gellé A. and A. Moores. Water splitting catalyzed by titanium dioxide decorated with plasmonic nanoparticles // Pure and Applied Chemistry. – 2017. – Vol. 89. – No. 12. – P. 1817–1827.

16. Kim J.H., et al. Overall photoelectrochemical water splitting using tandem cell under simulated sunlight // ChemSusChem. – 2016. – Vol. 9. – No. 1. – P. 61–66.

17. Miller E.L., DeAngelis A., and S. Mallory. Multijunction approaches to photoelectrochemical water splitting, in Photoelectrochemical Hydrogen Production // Springer. – 2011. – P. 205–273.

18. Lin Y., et al. Semiconductor nanostructure-based photoelectrochemical water splitting: A brief review // Chemical Physics Letters. – 2011. – Vol. 507. – No. 4–6. – P. 209–215.

19. Ager J.W., et al. Experimental demonstrations of spontaneous, solar-driven photoelectrochemical water splitting // Energy & Environmental Science. – 2015. – Vol. 8. – No. 10. – P. 2811–2824.

20. Kim J.H., et al. Toward practical solar hydrogen production–an artificial photosynthetic leaf-to-farm challenge // Chemical Society Reviews. – 2019. – Vol. 48. – No. 7. – P. 1908–1971.

21. Sayama K. and Y. Miseki. Research and development of solar hydrogen production–Toward the realization of ingenious photocatalysis-electrolysis hybrid system // Synthesiology English edition. – 2014. – Vol. 7. – No. 2. – P. 79–91.

22. Jia J., et al. Solar water splitting by photovoltaic-electrolysis with a solar-to-hydrogen efficiency over 30% // Nature communications. – 2016. – Vol. 7. – No. 1. – P. 13237.

23. Cheng W.-H., et al. Monolithic photoelectrochemical device for direct water splitting with 19% efficiency // ACS Energy Letters. – 2018. – Vol. 3. – No.8. – P. 1795–1800.

24. Romano V., et al. Current density in solar fuel technologies // Energy & Environmental Science. – 2021. – Vol. 14. – No. 11. – P. 5760–5787.

25. Bozheyev F., and K. Ellmer. Thin film transition metal dichalcogenide photoelectrodes for solar hydrogen evolution: a review // Journal of Materials Chemistry A. – 2022. – Vol. 10. – No. 17. – P. 9327–9347.

26. Kim J.S., et al. In2O3: Sn/TiO2/CdS heterojunction nanowire array photoanode in photoelectrochemical cells // International journal of hydrogen energy. – 2014. – Vol. 39. – No. 30. – P. 17473–17480.

27. Sharma D., et al. Nanostructured SrTiO3 thin films sensitized by Cu2O for photoelectrochemical hydrogen generation // International journal of hydrogen energy. – 2014. – Vol. 39. – No. 9. – P. 4189–4197.

28. Chou J.-C., et al. Photoexcitation of TiO2 photoanode in water splitting // Materials Chemistry and Physics. – 2014. – Vol. 143. – No. 3. – P. 1417–1422.

29. Huang Q., et al. Highly aligned Cu2O/CuO/TiO2 core/shell nanowire arrays as photocathodes for water photoelectrolysis // Journal of Materials Chemistry A. – 2013. – Vol. 1. – No. 7. – P. 2418–2425.

30. Cheng C., Ren W., and H. Zhang. 3D TiO2/SnO2 hierarchically branched nanowires on transparent FTO substrate as photoanode for efficient water splitting // Nano Energy. – 2014. – Vol. 5. – P. 132–138.

31. Xie S., et al. Gold nanoparticles inducing surface disorders of titanium dioxide photoanode for efficient water splitting // Nano Energy. – 2014. – Vol. 10. – P. 313–321.

32. Zhang C., et al. Ultrathin hematite films deposited layer-by-layer on a TiO2 underlayer for efficient water splitting under visible light // International journal of hydrogen energy. – 2014. – Vol. 39. – No. 27. – P. 14604–14612.

33. Sánchez-Tovar R., et al. Enhancement of photoelectrochemical activity for water splitting by controlling hydrodynamic conditions on titanium anodization // Journal of Power Sources. – 2015. – Vol. 286. – P. 224–231.

34. Reichert R., Jusys Z., and R.J.r. Behm. Au/TiO2 photo (electro) catalysis: the role of the Au cocatalyst in photoelectrochemical water splitting and photocatalytic H2 evolution // The Journal of Physical Chemistry C. – 2015. – Vol. 119. – No. 44. – P. 24750–24759.

35. Liu T., et al. Titania-on-gold nanoarchitectures for visible-light-driven hydrogen evolution from water splitting // Journal of Materials Science. – 2016. – Vol. 51. – P. 6987–6997.

36. Zhang H. and C. Cheng, Three-dimensional FTO/TiO2/BiVO4 composite inverse opals photoanode with excellent photoelectrochemical performance. ACS Energy Letters. – 2017. – Vol. 2. – No. 4. – P. 813–821.

37. Ahmad Y.H., et al. Tailoring the deposition of MoSe2 on TiO2 nanorods arrays via radiofrequency magnetron sputtering for enhanced photoelectrochemical water splitting // Applied Surface Science. – 2023. – Vol. 626. – P. 157205.

38. Mohamed S.K., et al. Optimizing the performance of Au y/Ni x/TiO2 NTs photoanodes for photoelectrochemical water splitting // RSC advances. – 2023. – Vol.13. – No. 20. – P. 14018–14032.

39. Ali R.B., et al. A synergic effect of Bi-metallic layered hydro-oxide cocatalyst on 1-D TiO2 driven photoelectrochemical water splitting // Journal of Asian Ceramic Societies. – 2023. – Vol. 11. – No. 3. – P. 424–435.

40. Puerres J., et al. Reduced TiO2 nanorods decorated with carbon nanodots for photoelectrochemical water oxidation // ACS Applied Nano Materials. – 2023. – Vol. 6. – No. 15. – P. 14029–14039.

41. Thirumalaisamy L., et al. Dual shield: bifurcated coating analysis of multilayered WO3/BiVO4/TiO2/NiOOH photoanodes for sustainable solar-to-hydrogen generation from challenging waters // ACS sustainable chemistry & engineering. – 2024. – Vol. 12. – No. 8. – P. 3044–3060.

42. Bae S., et al. Hole-Selective Hybrid TiO2 Layer towards Long-Term Stability of Low-Cost Photoanodes in Solar Water Oxidation // Nature. – 2024. – Vol. 15. – P. 9439

43. Sitaaraman S., et al. Photoelectrochemical performance of a nanostructured BiVO4/NiOOH/FeOOH–Cu2O/CuO/TiO2 tandem cell for unassisted solar water splitting // Nanoscale Advances. – 2024. – Vol. 6. – No. 9. – P. 2407–2418.

44. Abdul Hamid S.B., Teh S.J., and C.W. Lai. Photocatalytic water oxidation on ZnO: a review // Catalysts. – 2017. – Vol. 7. – No. 3. – P. 93.

45. Liu C.-F., Lu Y.-J., and C.-C. Hu. Effects of anions and pH on the stability of ZnO nanorods for photoelectrochemical water splitting // ACS omega. – 2018. – Vol. 3. – No. 3. – P. 3429–3439.

46. Ning X., and G. Lu. Photocorrosion inhibition of CdS-based catalysts for photocatalytic overall water splitting // Nanoscale. – 2020. – Vol. 12. – No. 3. – P. 1213–1223.

47. Ros C., Andreu T., and J.R. Morante. Photoelectrochemical water splitting: a road from stable metal oxides to protected thin film solar cells // Journal of Materials Chemistry A. – 2020. – Vol. 8. – No. 21. – P. 10625–10669.

48. Bae D., et al. Strategies for stable water splitting via protected photoelectrodes // Chemical Society Reviews. – 2017. – Vol. 46. – No. 7. – P. 1933–1954.


Рецензия

Для цитирования:


Мархабаева А.А., Калкозова Ж.К., Мухаметкаримов Е.С., Қожахмет А.Б., Қуандық А.О., Бөжеев Ф.Е. ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА: ОТ БАЗОВЫХ ПРИНЦИПОВ ДО ПОСЛЕДНИХ ДОСТИЖЕНИЙ (обзорная статья). Вестник Казахстанско-Британского технического университета. 2025;22(2):351-366. https://doi.org/10.55452/1998-6688-2025-22-2-351-366

For citation:


Markhabayeva A.A., Kalkozova Zh.K., Mukhametkarimov Y.S., Kozhakhmet A.B., Kuanduk A.O., Bozheyev F.E. PHOTOELECTROCHEMICAL HYDROGEN PRODUCTION: FROM BASIC PRINCIPLES TO RECENT ADVANCES (Review article). Herald of the Kazakh-British Technical University. 2025;22(2):351-366. (In Kazakh) https://doi.org/10.55452/1998-6688-2025-22-2-351-366

Просмотров: 42


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1998-6688 (Print)
ISSN 2959-8109 (Online)