फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल

From Vigyanwiki

फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल उपकरण के दो अलग-अलग वर्गों में से एक है। डाई-संवेदीकृत सौर सेल फोटोवोल्टिक सेल के समान पहली बिजली उत्पादन, जो सौर सेल की मानक परिभाषा को पूरा करता है। दूसरा फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल है |, अर्थात उपकरण जो इलेक्ट्रोलाइटिक समाधान में डूबे फोटोसंवेदनशीलता, अर्धचालक , या जलीय विद्युत संवाहक पर प्रकाश की घटना का उपयोग करता है | जो सीधे रासायनिक प्रतिक्रिया का कारण बनता है | उदाहरण के लिए पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से हाइड्रोजन का उत्पादन करता है।

दोनों टाइप के उपकरण सौर सेल की टाइप हैं | जिसमें फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल का कार्य प्रकाश विद्युत प्रभाव (या, बहुत समान रूप से, फोटोवोल्टिक प्रभाव) का उपयोग विद्युत चुम्बकीय विकिरण (सामान्यतः सूर्य के प्रकाश) को या तो सीधे विद्युत बल में या किसी ऐसी चीज में परिवर्तित करना है | जो विद्युत बल का उत्पादन करने के लिए सरलता से उपयोग किया जा सकता है |(हाइड्रोजन, उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन ईंधन में जलाया जा सकता है, फोटोहाइड्रोजन देखें)।

दो सिद्धांत

मानक सौर सेल में संचालन के रूप में मानक फोटोवोल्टिक प्रभाव में अर्धचालक माध्यम के अंदर नकारात्मक चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉनों) का उत्तेजना सम्मिलित होता है, और यह नकारात्मक चार्ज वाहक (मुक्त इलेक्ट्रॉन) होता है | जो अंततः बिजली उत्पादन के लिए निकाला जाता है। फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल का वर्गीकरण जिसमें डाई-संवेदी सौर सेल सम्मिलित हैं। ग्रैट्ज़ेल सेल इस संकीर्ण परिभाषा को पूरा करती हैं | चूँकि चार्ज वाहक अधिकांशतः उत्तेजक होते हैं।

दूसरी ओर, फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल के अंदर की स्थिति अधिक भिन्न होती है। उदाहरण के लिए, जल-विभाजन फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल में, अर्धचालक में इलेक्ट्रॉन के प्रकाश द्वारा उत्तेजना, एक छेद छोड़ती है | जो पानी के निकट अणु से इलेक्ट्रॉन खींचती है |

यह समाधान में धनात्मक आवेश वाहक (प्रोटॉन, अर्थात H + आयन) छोड़ता है | जो तब एक दूसरे प्रोटॉन के साथ बंधता है और हाइड्रोजन गैस बनाने के लिए दो इलेक्ट्रॉनों के साथ जुड़ता है |

कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल का एक और रूप है | उस स्थिति में आउटपुट आणविक हाइड्रोजन के स्तिरिक्त कार्बोहाइड्रेट होता है।

फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल

फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल बैंड आरेख

ए (जल-विभाजन) फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल इलेक्ट्रोलीज़ पानी को विद्युत चुम्बकीय विकिरण के साथ एनोड को विकिरणित करके हाइड्रोजन और ऑक्सीजन गैस में, अर्थात प्रकाश के साथ इसे कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के रूप में संदर्भित किया गया है और ईंधन के रूप में उपयोग के लिए हाइड्रोजन में सौर ऊर्जा को संग्रहीत करने के विधि के रूप में सुझाया गया है।[1]

आने वाली धूप सिलिकॉन इलेक्ट्रोड की सतह के पास मुक्त इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करती है। ये इलेक्ट्रॉन तारों के माध्यम से स्टेनलेस स्टील इलेक्ट्रोड में प्रवाहित होते हैं | जहां उनमें से चार हाइड्रोजन के दो अणु और 4 OH समूह बनाने के लिए चार पानी के अणुओं के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। ओएच समूह तरल इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से सिलिकॉन इलेक्ट्रोड की सतह पर प्रवाहित होते हैं। वहां वे चार फोटोइलेक्ट्रॉनों से जुड़े चार छेदों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं | जिसके परिणामस्वरूप दो पानी के अणु और ऑक्सीजन अणु होते हैं। इल्युमिनेटेड सिलिकॉन इलेक्ट्रोलाइट्स के संपर्क में आने पर तुरंत जंग लगने लगता है। संक्षारण पदार्थ का उपभोग करता है और सतहों के गुणों को बाधित करता है और सेल के अंदर इंटरफेस करता है।[2]

दो टाइप के प्रकाश रसायन प्रणाली फोटोकैटलिसिस के माध्यम से संचालित होते हैं। उत्प्रेरक के रूप में अर्धचालक सतहों का उपयोग करता है। इन उपकरणों में अर्धचालक सतह सौर ऊर्जा को अवशोषित करती है और पानी के विभाजन के लिए इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करती है। अन्य कार्यप्रणाली उत्प्रेरक के रूप में इन-सॉल्यूशन मेटल कॉम्प्लेक्स का उपयोग करती है।[3][4]

फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल ने 10 प्रतिशत आर्थिक दक्षता बाधा पार कर ली है। पानी के साथ सीधे संपर्क के कारण अर्धचालक का क्षरण मुद्दा बना हुआ है।[5] संयुक्त राज्य अमेरिका के ऊर्जा विभाग द्वारा स्थापित आवश्यकता, 10000 घंटे के सेवा जीवन तक पहुंचने के लिए अनुसंधान अब जारी है।[6]

अन्य फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल

कभी रचना किया गया पहला सौर सेल भी पहला फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल था। इसे 1839 में, एडमंड एडमंड बेकरेल द्वारा, 19 वर्ष की आयु में, अपने पिता की प्रयोगशाला में बनाया गया था।[7]

वर्तमान के दशकों में सबसे अधिक शोध किया गया आधुनिक फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल डाई-सेंसिटाइज़्ड सोलर सेल है। ग्रैट्ज़ेल सेल, चूँकि बाद की अपेक्षाकृत उच्च दक्षता और वाष्प में समानता के कारण वर्तमान में इस विषय से बहुत अधिक ध्यान पेरोसाइट सौर सेल पर स्थानांतरित कर दिया गया है। सामान्यतः उनके निर्माण में उपयोग की जाने वाली सहायक निक्षेपण विधि है।

डाई-सेंसिटाइज़्ड सोलर सेल या ग्रैट्ज़ेल सेल डाई-सोखने वाले अत्यधिक झरझरा नैनोक्रिस्टलाइन रंजातु डाइऑक्साइड (एनसी-) का उपयोग करते हैं।TiO
2) विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए होता है।

फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल के लिए पदार्थ

जल-विभाजन फोटोइलेक्ट्रॉनिक (पीईसी) सेल दो-इलेक्ट्रोड सेल के अंदर हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में पानी को विघटित करने के लिए प्रकाश ऊर्जा का उपयोग करती हैं। सिद्धांत रूप में, पीईसी की असेंबली में फोटो-इलेक्ट्रोड की तीन व्यवस्थाएं उपस्थित हैं |[8]

  • n-टाइप अर्धचालक और मेटल कैथोड से बना फोटो-एनोड है |
  • n-टाइप अर्धचालक से बना फोटो-एनोड और पी-टाइप अर्धचालक से बना फोटो-कैथोड है |
  • पी-टाइप अर्धचालक और मेटल एनोड से बना फोटो-कैथोड है |

पीईसी उत्पादन में फोटोइलेक्ट्रोड पदार्थ के लिए कई आवश्यकताएं हैं |[9]

  • प्रकाश अवशोषण बैंड गैप द्वारा निर्धारित और सौर विकिरण स्पेक्ट्रम के लिए उपयुक्त होता है |
  • चार्ज ट्रांसपोर्ट प्रतिरोधी हानि को कम करने के लिए फोटोइलेक्ट्रोड प्रवाहकीय (या अर्ध-प्रवाहकीय) होना चाहिए |
  • उपयुक्त बैंड संरचना पानी को विभाजित करने के लिए पर्याप्त बड़ा बैंड गैप (1.23V) और और रेडॉक्स क्षमता के सापेक्ष उपयुक्त स्थिति में होता है |
  • उत्प्रेरक गतिविधि उच्च उत्प्रेरक गतिविधि जल-विभाजन प्रतिक्रिया की दक्षता को बढ़ाती है |
  • स्थिरता अपघटन और कार्य के हानि को रोकने के लिए पदार्थ स्थिर होनी चाहिए |

इन आवश्यकताओं के अतिरिक्त, पीईसी जल विभाजन को व्यवहार्य बनाने के लिए व्यापक रूप से गोद लेने के लिए पदार्थ कम निवेश वाली और पृथ्वी प्रचुर मात्रा में होनी चाहिए।

जबकि सूचीबद्ध आवश्यकताओं को सामान्यतः प्रयुक्त किया जा सकता है | फोटोएनोड्स और फोटोकैथोड्स की थोड़ी अलग आवश्यकता होती हैं। अच्छे फोटोकैथोड में ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (कम अतिपरासारी), संतृप्ति पर बड़ी फोटोक्रेक्ट, और प्रारंभ में फोटोक्रेक्ट की तेजी से वृद्धि की प्रारंभ होती है। दूसरी ओर, अच्छे फोटोएनोड्स में हाई करंट और तेजी से फोटोकरंट ग्रोथ के अतिरिक्त हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन का प्रारंभ होता है । वर्तमान को अधिकतम करने के लिए, एनोड और कैथोड पदार्थ को एक साथ मिलान करने की आवश्यकता है | कैथोड पदार्थ के लिए सबसे अच्छा एनोड दूसरे के लिए सबसे अच्छा नहीं हो सकता है।

TiO
2

1967 में, अकीरा फुजिशिमा ने होंडा फुजिशिमा एफे सीटी, (टाइटेनियम डाइऑक्साइड के फोटोकैटलिटिक गुण) की खोज की थी।

टाइटेनियम डाइऑक्साइड TiO
2 और अन्य धातु आक्साइड अभी भी सबसे प्रमुख हैं |[10] दक्षता कारणों के लिए उत्प्रेरक स्ट्रोंटियम टाइटेनेट सहित SrTiO
3 और बेरियम टाइटेनेट BaTiO
3,[11] इस तरह के सेमीकंडक्टिंग टाइनेट, चालन बैंड में मुख्य रूप से टाइटेनियम 3डी कैरेक्टर और संयोजी बंध ऑक्सीजन 2p कैरेक्टर होते हैं। बैंड कम से कम 3 ईवी के विस्तृत बैंड अंतराल से अलग होते हैं | जिससे ये पदार्थ केवल पराबैंगनी को अवशोषित कर सकें।

TiO
2 के परिवर्तन को और उत्तम बनाने के लिए माइक्रोस्ट्रक्चर की भी जांच की गई है। 2002 में, गुएरा (नैनोप्टेक कॉर्पोरेशन) ने पाया कि सूक्ष्म से नैनो-संरचित टेम्प्लेट पर बनी अर्धचालक फिल्मों में उच्च स्थानीय तनाव को प्रेरित किया जा सकता है, और यह तनाव टाइटेनियम डाइऑक्साइड के स्थिति में अर्धचालक के बैंडगैप को दृश्यमान नीले रंग में स्थानांतरित कर देता है। [12] यह आगे पाया गया (थुलिन और गुएरा, 2008) कि तनाव ने हाइड्रोजन विकास क्षमता को ओवरले करने के लिए बैंड-किनारों को भी अनुकूल रूप से स्थानांतरित कर दिया, और आगे भी यह कि कम चार्ज पुनर्संयोजन दर और उच्च क्वांटम दक्षता के लिए तनाव में छेद की गतिशीलता में सुधार हुआ था।[13] चांडेकर ने नैनो-संरचित टेम्पलेट और तनावपूर्ण टाइटेनियम डाइऑक्साइड कोटिंग दोनों का उत्पादन करने के लिए कम निवेश वाली स्केलेबल निर्माण प्रक्रिया विकसित की थी।[14] अन्य TiO
2 नैनोवायर सरणियाँ या झरझरा नैनोक्रिस्टलाइन TiO
2 फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल रूपात्मक जांच में सम्मिलित हैं |[15]

जीएएन

जीएएन अन्य विकल्प है, क्योंकि धातु नाइट्राइड में सामान्यतः संकीर्ण बैंड गैप होता है | जो लगभग पूरे सौर स्पेक्ट्रम को घेर सकता है।[16] जीएएन की तुलना में संकरा बैंड गैप TiO
2 है | किन्तु अभी भी इतना बड़ा है कि सतह पर पानी का बंटवारा हो सकता है। जीएएन नैनोवायरों ने जीएएन पतली फिल्मों की तुलना में उत्तम प्रदर्शन किया था |, क्योंकि उनके पास बड़ा सतह क्षेत्र है और उच्च एकल क्रिस्टलीयता है | जो लंबे समय तक इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी जीवनकाल की अनुमति देता है।[17] इस बीच, अन्य गैर-ऑक्साइड अर्धचालक जैसे गैलियम आर्सेनाइड, मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड MoS
2, WSe
2 और MoSe
2 का उपयोग n-टाइप के इलेक्ट्रोड के रूप में किया जाता है,| क्योंकि फोटोकोरोसियन प्रतिक्रियाओं में रासायनिक और विद्युत रासायनिक चरणों में उनकी स्थिरता होती है।[18]

सिलिकॉन

2013 में सिलिकॉन इलेक्ट्रोड पर निकल के 2 नैनोमीटर के साथ सेल, एक स्टेनलेस स्टील इलेक्ट्रोड के साथ जोड़ा गया, पोटेशियम बोरेट और लिथियम बोरेट के जलीय इलेक्ट्रोलाइट में डूबा हुआ बिना ध्यान देने योग्य जंग के 80 घंटे तक संचालित होता है |, बनाम टाइटेनियम डाइऑक्साइड के लिए 8 घंटे इस प्रक्रिया में, लगभग 150 मिली हाइड्रोजन गैस उत्पन्न हुई, जो लगभग 2 किलोजूल ऊर्जा के भंडारण का प्रतिनिधित्व करती है।[2][19]

संरचित पदार्थ

अवशोषित पदार्थ की संरचना का सेल के प्रदर्शन पर सकारात्मक और नकारात्मक दोनों प्रभाव पड़ता है। संरचना प्रकाश अवशोषण और वाहक संग्रह को विभिन्न स्थानों पर होने की अनुमति देती है | जो शुद्ध पदार्थ के लिए आवश्यकताओं को कम करती है और कटैलिसीस में सहायता करती है। यह गैर-कीमती और ऑक्साइड उत्प्रेरक के उपयोग की अनुमति देता है | जो अधिक ऑक्सीकरण स्थितियों में स्थिर हो सकते हैं। चूँकि, इन उपकरणों में ओपन-सर्किट क्षमता कम होती है | जो कम प्रदर्शन में योगदान दे सकती है।[20]

हेमेटाइट

हेमेटाइट संरचना

शोधकर्ताओं ने हेमेटाइट (α-Fe2O3) पीईसी जल-विभाजन उपकरणों में इसकी कम निवेश, n-टाइप डोप होने की क्षमता और बैंड गैप (2.2eV) के कारण होता है। चूँकि, प्रदर्शन व्यर्थ चालकता और क्रिस्टल अनिसोट्रॉपी से ग्रस्त है।[21] कुछ शोधकर्ताओं ने सतह पर सह-उत्प्रेरक की परत बनाकर उत्प्रेरक गतिविधि को बढ़ाया है। सह-उत्प्रेरक में कोबाल्ट-फॉस्फेट सम्मिलित हैं |[22] और इरिडियम ऑक्साइड,[23] जिसे ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया के लिए अत्यधिक सक्रिय उत्प्रेरक के रूप में जाना जाता है।[20]

टंगस्टन ऑक्साइड

टंगस्टन (VI) ऑक्साइड (WO3), जो विभिन्न तापमानों पर कई अलग-अलग बहुरूपता प्रदर्शित करता है | इसकी उच्च चालकता के कारण रुचि है | किन्तु इसमें अपेक्षाकृत व्यापक, अप्रत्यक्ष बैंड गैप (~ 2.7 eV) है | जिसका अर्थ है कि यह अधिकांश सौर स्पेक्ट्रम को अवशोषित नहीं कर सकता है। चूँकि अवशोषण को बढ़ाने के लिए कई प्रयास किए गए हैं, किन्तु वे व्यर्थ चालकता का परिणाम देते हैं और इस टाइप WO3 पीईसी जल विभाजन के लिए व्यवहार्य पदार्थ प्रतीत नहीं होती है।[20]

बिस्मथ वनाडेट

जल ऑक्सीकरण क्षमता के साथ संकरा, सीधा बैंड गैप (2.4 eV) और उचित बैंड संरेखण के साथ, बिस्मथ वनाडेट का मोनोक्लिनिक रूप BiVO
4 ने शोधकर्ताओं से रुचि प्राप्त की है।[20] समय के साथ, यह दिखाया गया है कि वी-रिच [24] और कॉम्पैक्ट फिल्में [25] उच्च फोटोकरंट, या उच्च प्रदर्शन के साथ जुड़े हुए हैं। बिस्मथ वनाडेट का भी सौर के लिए अध्ययन किया गया है | समुद्री जल से पीढ़ी [26] जो दूषित आयनों की उपस्थिति और अधिक कठोर संक्षारक वातावरण के कारण अधिक कठिन है।

ऑक्सीकरण रूप

फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल ऑक्सीकरण (पीईसीओ) वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा प्रकाश अर्धचालक को उत्प्रेरक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया को बढ़ावा देने में सक्षम बनाता है। जबकि फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल में सामान्यतः अर्धचालक (इलेक्ट्रोड) और धातु (काउंटर-इलेक्ट्रोड) दोनों सम्मिलित होते हैं, पर्याप्त रूप से छोटे पैमाने पर, शुद्ध अर्धचालक कण सूक्ष्म फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल के रूप में व्यवहार कर सकते हैं। पीईसीओ में हवा और पानी, हाइड्रोजन उत्पादन, और अन्य अनुप्रयोगों के विषहरण में अनुप्रयोग हैं।

प्रतिक्रिया तंत्र

वह प्रक्रिया जिसके द्वारा फोटॉन सीधे रासायनिक प्रतिक्रिया प्रारंभ करता है | उसे प्रकाश-अपघटन के रूप में जाना जाता है | यदि यह प्रक्रिया उत्प्रेरक द्वारा सहायता प्राप्त है, तो इसे फोटोकैटलिसिस कहा जाता है।[27] यदि फोटॉन में पदार्थ के विशिष्ट बैंड गैप से अधिक ऊर्जा होती है, तो यह पदार्थ द्वारा अवशोषण पर इलेक्ट्रॉन को मुक्त कर सकता है। शेष, सकारात्मक रूप से आवेशित छिद्र और मुक्त इलेक्ट्रॉन पुन: संयोजित हो सकते हैं | गर्मी उत्पन्न कर सकते हैं, या वे आस-पास की प्रजातियों के साथ फोटोरिएक्शन में भाग ले सकते हैं। यदि इन प्रजातियों के साथ फोटोरिएक्शन के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन-दान करने वाली पदार्थ का पुनर्जनन होता है , अर्थात, यदि पदार्थ प्रतिक्रियाओं के लिए उत्प्रेरक के रूप में कार्य करती है तो प्रतिक्रियाओं को फोटोकैटलिटिक माना जाता है। पीईसीओ टाइप के फोटोकैटलिसिस का प्रतिनिधित्व करता है जिससे अर्धचालक-आधारित इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करती है - उदाहरण के लिए, वायु शोधन प्रणालियों में वायुजनित संदूषक का ऑक्सीडेटिव क्षरण होता है।

फोटोइलेक्ट्रोकैटलिसिस का मुख्य उद्देश्य इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस के माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक चार्ज वाहकों के पारित होने के लिए और विशेष रूप से रासायनिक उत्पादों के फोटोइलेक्ट्रॉनिक उत्पादन के लिए कम ऊर्जा सक्रियण मार्ग प्रदान करना है।[28] फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण के संबंध में, हम विचार कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, प्रतिक्रियाओं की निम्नलिखित प्रणाली, जो TiO2 उत्प्रेरित ऑक्सीकरण का गठन करती है।[29]

TiO2 (hv) → TiO2 (e− + h+)
TiO2(h+) +RX → TiO2 + RX.+
TiO2(h+) + H2O → TiO2 + HO. + H+
TiO2(h+) + OH− → TiO2 + HO.
TiO2(e−) + O2 → TiO2 + O2.−

यह प्रणाली ऑक्सीडेटिव प्रजातियों के उत्पादन के लिए कई रास्ते दिखाती है | जो प्रजातियों के ऑक्सीकरण की सुविधा प्रदान करती है |, RX, उत्साहित TiO2 द्वारा इसके प्रत्यक्ष ऑक्सीकरण के अतिरिक्त पीईसीओ ऐसी प्रक्रिया से संबंधित है | जहां इलेक्ट्रॉनिक चार्ज वाहक प्रतिक्रिया माध्यम से सरलता से आगे बढ़ने में सक्षम होते हैं | जिससे कुछ हद तक पुनर्मूल्यांकन प्रतिक्रियाएं कम हो जाती हैं | जो ऑक्सीडेटिव प्रक्रिया को सीमित कर देती हैं। इस स्थिति में "फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल" अर्धचालक उत्प्रेरक के बहुत छोटे कण के रूप में सरल हो सकता है। यहाँ, "प्रकाश" पक्ष पर प्रजाति ऑक्सीकृत होती है | जबकि "अंधेरे" पक्ष पर अलग प्रजाति कम हो जाती है।[30]

प्रकाश रासायनिक ऑक्सीकरण (पीसीओ) बनाम पीईसीओ

मौलिक मैक्रोस्कोपिक फोटोइलेक्ट्रॉनिक प्रणाली में काउंटर-इलेक्ट्रोड के साथ विद्युत संपर्क में अर्धचालक होते हैं। बाहरी अर्धचालक n-टाइप अर्धचालक के लिए पर्याप्त रूप से छोटे आयाम के n-टाइप अर्धचालक कण, कण एनोडिक और कैथोडिक क्षेत्रों में ध्रुवीकरण करते हैं | प्रभावी रूप से सूक्ष्म फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल बनाते हैं।[28] कण की प्रबुद्ध सतह फोटोऑक्सीडेशन प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करती है | जबकि कण का "अंधेरा" पक्ष सहवर्ती कमी की सुविधा देता है।[31]

फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण को फोटोकैमिकल ऑक्सीकरण (पीसीओ) का विशेष स्थिति माना जा सकता है। फोटोकैमिकल ऑक्सीकरण कट्टरपंथी प्रजातियों की पीढ़ी को अशक्त करता है | जो अर्धचालक-उत्प्रेरित प्रणालियों में सम्मिलित इलेक्ट्रोकेमिकल परस्पर क्रिया के साथ या बिना ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं को सक्षम करता है |, जो फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण में होता है।

अनुप्रयोग

पीईसीओ हवा और पानी दोनों के उपचार के साथ-साथ नवीकरणीय ऊर्जा के स्रोत के रूप में हाइड्रोजन का उत्पादन करने में उपयोगी हो सकता है।

जल उपचार

पीईसीओ ने तूफानी जल और अपशिष्ट जल दोनों के जल उपचार के लिए दिखाया है। वर्तमान में, बायोफिल्ट्रेशन विधियों के उपयोग जैसे जल उपचार विधियों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। ये प्रौद्योगिकियां निलंबित ठोस, पोषक तत्वों और भारी धातुओं जैसे प्रदूषकों को छानने में प्रभावी हैं, किन्तु शाकनाशियों को हटाने के लिए संघर्ष करती हैं। डाययूरॉन और एट्राज़ीन जैसे जड़ी-बूटियों का सामान्यतः उपयोग किया जाता है, और अधिकांशतः तूफान के पानी में समाप्त हो जाते हैं |, संभावित स्वास्थ्य कठिन परिस्थिति उत्पन्न करते हैं | यदि उनका पुन: उपयोग करने से पहले इलाज नहीं किया जाता है।

पीईसीओ अपनी शक्तिशाली ऑक्सीकरण क्षमता के कारण तूफानी जल के उपचार के लिए उपयोगी उपाय है। पीईसीओ, फोटोकैटलिटिक ऑक्सीडेशन (पीसीओ), और इलेक्ट्रो-कैटेलिटिक ऑक्सीकरण (ईसीओ) जैसे तूफानी पानी में क्षरण के लिए विभिन्न तंत्रों की जांच करते हुए, शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि पीईसीओ सबसे अच्छा विकल्प था,| जो घंटे में डायरॉन के पूर्ण खनिजकरण का प्रदर्शन करता था।[32] पीईसीओ के लिए इस उपयोग में और शोध की आवश्यकता है | क्योंकि यह उस समय में केवल 35% एट्राज़ीन को नीचा दिखाने में सक्षम था, चूँकि यह आगे बढ़ने का आशाजनक समाधान है।

वायु उपचार

पीईसीओ ने वायु शोधन के साधन के रूप में भी संकेत दिखाया है। गंभीर एलर्जी वाले लोगों के लिए, एयर प्यूरिफायर उनके अपने घरों में एलर्जी से बचाने के लिए महत्वपूर्ण हैं।[33] चूँकि, कुछ एलर्जेंस सामान्य शुद्धिकरण विधियों द्वारा हटाए जाने के लिए बहुत छोटे होते हैं। पीईसीओ फिल्टर का उपयोग करने वाले वायु शोधक 0.1 एनएम के रूप में छोटे कणों को हटाने में सक्षम हैं।

ये फिल्टर फोटॉन के रूप में काम करते हैं, फोटोकैटलिस्ट को उत्तेजित करते हैं |, हाइड्रॉक्सिल रेडिकल बनाते हैं, जो अधिक प्रतिक्रियाशील होते हैं और कार्बनिक पदार्थों और सूक्ष्मजीवों को ऑक्सीकरण करते हैं | जो एलर्जी के लक्षण उत्पन्न करते हैं, कार्बन डाइऑक्साइड और पानी जैसे हानिरहित उत्पाद बनाते हैं। एलर्जी से पीड़ित रोगियों के साथ इस विधि का परीक्षण करने वाले शोधकर्ताओं ने पीईसीओ फिल्टर का उपयोग करने के सिर्फ 4 सप्ताह के बाद नाक (टीएनएसएस) और ओकुलर (टीओएसएस) एलर्जी दोनों के लिए कुल लक्षण स्कोर (टीएसएस) में महत्वपूर्ण कमी को देखते हुए, अपने अध्ययन से आशाजनक निष्कर्ष निकाले थे।[34] यह शोध प्रभावशाली स्वास्थ्य सुधार के लिए शक्तिशाली क्षमता प्रदर्शित करता है | जो गंभीर एलर्जी और अस्थमा से पीड़ित हैं।

हाइड्रोजन उत्पादन

संभवतः पीईसीओ के लिए सबसे रोचक संभावित उपयोग नवीकरणीय ऊर्जा के स्रोत के रूप में उपयोग किए जाने वाले हाइड्रोजन का उत्पादन कर रहा है। पीईसी सेल के अंदर होने वाली फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाएं हाइड्रोजन उत्पादन के लिए पानी के विभाजन की कुंजी हैं। जबकि इस विधि के साथ मुख्य चिंता स्थिरता है | तरल पानी के स्तिरिक्त वाष्प से हाइड्रोजन बनाने के लिए पीईसीओ विधि का उपयोग करने वाली प्रणालियों ने अधिक स्थिरता के लिए क्षमता का प्रदर्शन किया है। वेपर फेड प्रणाली पर काम करने वाले प्रारंभिक शोधकर्ताओं ने 14% सौर से हाइड्रोजन (एसटीएच) दक्षता के साथ मॉड्यूल विकसित किए, जबकि 1000+ घंटे तक स्थिर रहे थे।[35] वर्तमान में, जिनिंग गुओ और उनकी टीम द्वारा विकसित प्रत्यक्ष वायु इलेक्ट्रोलिसिस (डीएई) मॉड्यूल द्वारा प्रदर्शित विधि विकास किया गया है | जो हवा से 99% शुद्ध हाइड्रोजन का उत्पादन करता है और अब तक 8 महीने की स्थिरता का प्रदर्शन किया है।[36] जल और वायु उपचार और हाइड्रोजन उत्पादन जैसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए पीईसीओ का उपयोग करके अनुसंधान और विधि उन्नति का संकेत करने से पता चलता है कि यह मूल्यवान उपकरण है | जिसका उपयोग विभिन्न विधियों से किया जा सकता है।

इतिहास

1938 में, गुडवे और किचनर ने TiO2 के "फोटोसेंसिटाइजेशन" का प्रदर्शन किया था | उदाहरण के लिए, जैसा कि पेंट के लुप्त होने से स्पष्ट होता है | जिसमें इसे वर्णक के रूप में सम्मिलित किया जाता है। [37] 1969 में, किन्नी और इवानुस्की ने सुझाव दिया कि TiO2 सहित विभिन्न प्रकार के धातु ऑक्साइड सनलैंप द्वारा प्रदीपन के अनुसार विघटित कार्बनिक पदार्थों (फिनोल बेंजोइक एसिड एसिटिक एसिड सोडियम स्टीयरेट, और सुक्रोज) के ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित कर सकते हैं। [38] कैरी एट अल द्वारा अतिरिक्त कार्य ने सुझाव दिया कि TiO2 पीसीबी के फोटोडीक्लोरिनेशन के लिए उपयोगी हो सकता है। [39]

अग्रिम पठन

  • आई.यू.आई.ए. गुरेविच, आई.यू.वी. प्लास्कोव, और जेड.ए. रोटेनबर्ग, फोटोइलेक्ट्रोकेमिस्ट्री। न्यूयॉर्क: कंसल्टेंट्स ब्यूरो, 1980।
  • एम। शियावेलो, फोटोइलेक्ट्रोकेमिस्ट्री, फोटोकैटलिसिस, और फोटोरिएक्टर: फंडामेंटल एंड डेवलपमेंट। डॉर्ड्रेक्ट: रिडेल, 1985।
  • ए. जे. बार्ड, एम. स्ट्रैटमैन, और एस. लिक्ट, एनसाइक्लोपीडिया ऑफ़ इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री, वॉल्यूम 6, अर्धचालक इलेक्ट्रोड्स और फोटोइलेक्ट्रोकेमिस्ट्री: विली, 2002।

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ John A. Turner; et al. (2007-05-17). "Photoelectrochemical Water Systems for H2 Production" (PDF). National Renewable Energy Laboratory. Archived from the original (PDF) on 2011-06-11. Retrieved 2011-05-02.
  2. ↑ 2.0 2.1 "Silicon/nickel water splitter could lead to cheaper hydrogen". Gizmag.com. 19 November 2013. Retrieved 2013-12-29.
  3. ↑ Berinstein, Paula (2001-06-30). Alternative energy: facts, statistics, and issues. Greenwood Publishing Group. ISBN 1-57356-248-3. एक अन्य फोटोइलेक्ट्रॉनिक विधि में एक उत्प्रेरक के रूप में भंग धातु परिसरों का उपयोग करना शामिल है, जो ऊर्जा को अवशोषित करता है और एक विद्युत आवेश पृथक्करण बनाता है जो जल-विभाजन प्रतिक्रिया को चलाता है।
  4. ↑ Deutsch, T. G.; Head, J. L.; Turner, J. A. (2008). "GaInPN एपिलेयर्स का फोटोइलेक्ट्रॉनिक लक्षण वर्णन और स्थायित्व विश्लेषण". Journal of the Electrochemical Society. 155 (9): B903. Bibcode:2008JElS..155B.903D. doi:10.1149/1.2946478.
  5. ↑ Brad Plummer (2006-08-10). "एक बड़ी समस्या का सूक्ष्म समाधान". SLAC Today. SLAC National Accelerator Laboratory. Retrieved 2011-05-02.
  6. ↑ Wang, H.; Deutsch, T.; Turner, J. A. A. (2008). "Direct Water Splitting Under Visible Light with a Nanostructured Photoanode and GaInP2 Photocathode". ECS Transactions. 6 (17): 37. Bibcode:2008ECSTr...6q..37W. doi:10.1149/1.2832397. S2CID 135984508.
  7. ↑ "पहला फोटोवोल्टिक उपकरण". pveducation.org. Archived from the original on 2010-07-18.
  8. ↑ Tryk, D.; Fujishima, A; Honda, K (2000). "Recent topics in photoelectrochemistry: achievements and future prospects". Electrochimica Acta. 45 (15–16): 2363–2376. doi:10.1016/S0013-4686(00)00337-6.
  9. ↑ Seitz, Linsey (26 February 2019), "Lecture 13: Solar Fuels", Lecture Slides, Introduction to Electrochemistry CHE 395, Northwestern University
  10. ↑ A. Fujishima, K. Honda, S. Kikuchi, Kogyo Kagaku Zasshi 72 (1969) 108–113
  11. ↑ De Haart, L.; De Vries, A. J.; Blasse, G. (1985). "फोटोइलेक्ट्रॉनिक कोशिकाओं में लागू अर्धचालक टाइटनेट्स की फोटोल्यूमिनेसेंस पर". Journal of Solid State Chemistry. 59 (3): 291–300. Bibcode:1985JSSCh..59..291D. doi:10.1016/0022-4596(85)90296-8.
  12. ↑ U.S. Patent No. 7,485,799: Stress-induced bandgap-shifted semiconductor photoelectrolytic/photocatalytic/photovoltaic surface and method for making same; John M. Guerra, February 2009.
  13. ↑ Thulin, Lukas; Guerra, John (2008-05-14). "Calculations of strain-modified anatase ${\text{TiO}}_{2}$ band structures". Physical Review B. 77 (19): 195112. doi:10.1103/PhysRevB.77.195112.
  14. ↑ U.S. Patent No.8,673,399: Bandgap-shifted semiconductor surface and method for making same, and apparatus for using same; John M. Guerra, Lukas M. Thulin, Amol N. Chandekar; March 18, 2014; assigned to Nanoptek Corp.
  15. ↑ Cao, F.; Oskam, G.; Meyer, G. J.; Searson, P. C. (1996). "Electron Transport in Porous Nanocrystalline TiO2 Photoelectrochemical Cells". The Journal of Physical Chemistry. 100 (42): 17021–17027. doi:10.1021/jp9616573.
  16. ↑ Wang, D.; Pierre, A.; Kibria, M. G.; Cui, K.; Han, X.; Bevan, K. H.; Guo, H.; Paradis, S.; Hakima, A. R.; Mi, Z. (2011). "मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी द्वारा विकसित GaN नैनोवायर एरे पर वेफर-लेवल फोटोकैटलिटिक वाटर स्प्लिटिंग". Nano Letters. 11 (6): 2353–2357. Bibcode:2011NanoL..11.2353W. doi:10.1021/nl2006802. PMID 21568321.
  17. ↑ Hye Song Jung; Young Joon Hong; Yirui Li; Jeonghui Cho; Young-Jin Kim; Gyu-Chui Yi (2008). "GaN Nanowires का उपयोग करके फोटोकैटलिसिस". ACS Nano. 2 (4): 637–642. doi:10.1021/nn700320y. PMID 19206593.
  18. ↑ Kline, G.; Kam, K.; Canfield, D.; Parkinson, B. (1981). "Efficient and stable photoelectrochemical cells constructed with WSe2 and MoSe2 photoanodes". Solar Energy Materials. 4 (3): 301–308. Bibcode:1981SoEnM...4..301K. doi:10.1016/0165-1633(81)90068-X.
  19. ↑ Kenney, M. J.; Gong, M.; Li, Y.; Wu, J. Z.; Feng, J.; Lanza, M.; Dai, H. (2013). "जल ऑक्सीकरण के लिए अल्ट्राथिन निकेल फिल्म्स के साथ निष्क्रिय उच्च-प्रदर्शन सिलिकॉन फोटोएनोड्स". Science. 342 (6160): 836–840. Bibcode:2013Sci...342..836K. doi:10.1126/science.1241327. PMID 24233719. S2CID 206550249.
  20. ↑ 20.0 20.1 20.2 20.3 Peter, Laurie; Lewerenz, Hans-Joachim (2 October 2013). Photoelectrochemical Water Splitting: Materials, Processes and Architectures. Cambridge: Royal Society of Chemistry. ISBN 978-1-84973-647-3.
  21. ↑ Iordanova, N.; Dupuis, M.; Rosso, K. M. (8 April 2005). "Charge transport in metal oxides: A theoretical study of hematite α-Fe2O3". The Journal of Chemical Physics. 122 (14): 144305. Bibcode:2005JChPh.122n4305I. doi:10.1063/1.1869492. PMID 15847520.
  22. ↑ Zhong, Diane K.; Gamelin, Daniel R. (31 March 2010). "Photoelectrochemical Water Oxidation by Cobalt Catalyst ("Co−Pi")/α-FeO Composite Photoanodes: Oxygen Evolution and Resolution of a Kinetic Bottleneck". Journal of the American Chemical Society. 132 (12): 4202–4207. doi:10.1021/ja908730h. PMID 20201513.
  23. ↑ Tilley, S. David; Cornuz, Maurin; Sivula, Kevin; Grätzel, Michael (23 August 2010). "Light-Induced Water Splitting with Hematite: Improved Nanostructure and Iridium Oxide Catalysis". Angewandte Chemie International Edition. 49 (36): 6405–6408. doi:10.1002/anie.201003110. PMID 20665613.
  24. ↑ Berglund, Sean P.; Flaherty, David W.; Hahn, Nathan T.; Bard, Allen J.; Mullins, C. Buddie (16 February 2011). "नैनोसंरचित BiVO फिल्म्स का उपयोग करके पानी का फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण". The Journal of Physical Chemistry C. 115 (9): 3794–3802. doi:10.1021/jp1109459.
  25. ↑ Su, Jinzhan; Guo, Liejin; Yoriya, Sorachon; Grimes, Craig A. (3 February 2010). "Aqueous Growth of Pyramidal-Shaped BiVO4 Nanowire Arrays and Structural Characterization: Application to Photoelectrochemical Water Splitting". Crystal Growth & Design. 10 (2): 856–861. doi:10.1021/cg9012125.
  26. ↑ Luo, Wenjun; Yang, Zaisan; Li, Zhaosheng; Zhang, Jiyuan; Liu, Jianguo; Zhao, Zongyan; Wang, Zhiqiang; Yan, Shicheng; Yu, Tao; Zou, Zhigang (2011). "Solar hydrogen generation from seawater with a modified BiVO4 photoanode". Energy & Environmental Science. 4 (10): 4046. doi:10.1039/C1EE01812D.
  27. ↑ D. Y. Goswami, Principles of solar engineering, 3rd ed. Boca Raton: Taylor & Francis, 2015.
  28. ↑ 28.0 28.1 H. Tributsch, "Photoelectrocatalysis," in Photocatalysis: Fundamentals and Applications, N. Serpone and E. Pelizzetti, Eds., ed New York: Wiley-Interscience, 1989, pp. 339-383.
  29. ↑ O. Legrini, E. Oliveros, and A. Braun, "Photochemical processes for water treatment," Chemical Reviews, vol. 93, pp. 671-698, 1993.
  30. ↑ D. Y. Goswami, "Photoelectrochemical air disinfection " US Patent 7,063,820 B2, 2006.
  31. ↑ A. J. Bard, "Photoelectrochemistry and heterogeneous photo-catalysis at semiconductors," Journal of Photochemistry, vol. 10, pp. 59-75, 1979.
  32. ↑ Zheng, Zhaozhi; Deletic, Ana; Toe, Cui Ying; Amal, Rose; Zhang, Xiwang; Pickford, Russell; Zhou, Shujie; Zhang, Kefeng (2022-08-15). "Photo-electrochemical oxidation herbicides removal in stormwater: Degradation mechanism and pathway investigation". Journal of Hazardous Materials. 436: 129239. doi:10.1016/j.jhazmat.2022.129239. ISSN 0304-3894. PMID 35739758. S2CID 249139350.
  33. ↑ King, Haldane (2019-08-13). "PECO v. PCO Air Purifiers: How are they different? - Molekule Blog" (in English). Retrieved 2023-01-17.
  34. ↑ Rao, Nikhil G.; Kumar, Ambuj; Wong, Jenny S.; Shridhar, Ravi; Goswami, Dharendra Y. (2018-06-21). "नाक और नेत्र संबंधी एलर्जी के लक्षणों पर एक उपन्यास फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल ऑक्सीकरण वायु शोधक का प्रभाव". Allergy & Rhinology. 9: 2152656718781609. doi:10.1177/2152656718781609. ISSN 2152-6575. PMC 6028155. PMID 29977658.
  35. ↑ Kistler, Tobias A.; Um, Min Young; Agbo, Peter (2020-01-04). "Stable Photoelectrochemical Hydrogen Evolution for 1000 h at 14% Efficiency in a Monolithic Vapor-fed Device". Journal of the Electrochemical Society. 167 (6): 066502. Bibcode:2020JElS..167f6502K. doi:10.1149/1945-7111/ab7d93. ISSN 0013-4651. S2CID 216411125.
  36. ↑ Guo, Jining; Zhang, Yuecheng; Zavabeti, Ali; Chen, Kaifei; Guo, Yalou; Hu, Guoping; Fan, Xiaolei; Li, Gang Kevin (2022-09-06). "हवा से हाइड्रोजन का उत्पादन". Nature Communications. 13 (1): 5046. Bibcode:2022NatCo..13.5046G. doi:10.1038/s41467-022-32652-y. ISSN 2041-1723. PMC 9448774. PMID 36068193.
  37. ↑ C. Goodeve and J. Kitchener, "Photosensitisation by titanium dioxide," Transactions of the Faraday Society, vol. 34, pp. 570–579, 1938.
  38. ↑ L. C. Kinney and V. R. Ivanuski, "Photolysis mechanisms for pollution abatement," 1969.
  39. ↑ J. H. Carey, J. Lawrence, and H. M. Tosine, "Photodechlorination of PCB's in the presence of titanium dioxide in aqueous suspensions," Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, vol. 16, pp. 697–701, 1976.


बाहरी संबंध

Retrieved from ‘https://www.vigyanwiki.in/index.php?title=फोटोइलेक्ट्रॉनिक_सेल&oldid=187649’