основные разновидности и их особенности (110 фото)

Современные технологии позволяют получить более 100 разновидностей сварочных электродов. Каждый из них имеет различный размер и диаметр. Некоторые марки предназначены для работы с инвекторным сварочным аппаратом.

Большинство начинающих сварщиков часто задаются вопросом: «Какие электроды выбрать?». В процессе выбора, необходимо учитывать основные характеристики данных изделий.

В нашем материале представлены советы опытных профессионалов, которые знают все тонкости сварочного процесса.

Краткое содержимое статьи:

Что такое электрод?

Электрод представляет собой длинный кусок металлической проволоки со специальной обмазкой на конце. В результате большого напряжения постоянного тока, происходит плавление центральной части.

Вместе с ним начинает обгорать защитная обмазка. Она образует химическое облако, которое постепенно оседает на раскаленном металле. Вещества в составе электрода предотвращают прямой контакт горячего железа с кислородом, тем самым блокируя процессы окисления.

В составе обмазки присутствуют легко воспламеняемые компоненты и минералы. Они обладают высокой прочностью, что отражается на качестве шва.

Диаметр сварочных электродов подбирается исходя из толщины и разновидности металлических элементов. Для тонкого железа, принято подбирать модели толщиной 3-4 мм.

Они имеют небольшой размер и тонкую обмазку. В процессе сварки они также помогают предотвратить окисление и придаёт прочность железному шву.

Перед тем как приступить к рабочему процессу, необходимо тщательно осмотреть изделие. На его поверхности не должны присутствовать осколы и трещины. Эти дефекты негативно скажутся на качестве соединений.

Хранить такие металлические изделия, рекомендуется в сухом месте. Некоторые разновидности обмазки способны впитывать жидкость из воздуха. Это приводит к плохому поджигу электрической дуги.

Разновидности электродной обмазки

В специализированных отделах представлен огромный выбор инвекторных материалов. Современные виды сварочных электродов, имеют несколько разновидностей обмазки:

• основная;
• рутиловая;
• кислая;
• целлюлозная.

Основная и целлюлозная применяется для сварочных работ на постоянном токе. Довольно часто, их применяют для ответственных швов. Благодаря такой обмазке, металлическое изделие имеет прочные крепления, которые способны выдержать любые механические нагрузки.

Рутиловые и кислые электроды применяют для сварки на переменном токе. Кислая обмазка в своем составе имеет много химических соединений. В процессе сгорания, выделяются едкие ядовитые пары. Работать с такой разновидностью в закрытом помещении строго запрещено.

Как правильно выбрать электроды для инвекторной установки?

Выбрать лучшие сварочные электроды помогут советы опытных профессионалов:

Первым делом, необходимо обратить особое внимание на состав сердечника. Он должен быть таким же как и разновидность металлических деталей;

Для домашнего использования, оптимальным вариантом будут электроды с рутиловой оболочкой. Они быстро сгорают при этом не оставляя неровностей в местах соединений.

Популярные марки сварочных электродов имеют названия: МР – 3, УОНИ, АНО 21, ОК 63.34.;

Для нержавеющей стали подойдут ОК 63. 34. Они образуют тонкий плоский шов на поверхности металла. В процессе работы, необходимо производить вертикальные движения. Если наклонить электрод в любую сторону, то образуются плотные бугристые соединения металлических элементов.

Марка АНО 21, подходит для сварки углеродистой стали. Электрическая дуга в том случае быстро зажигается и образует плотное покрытие из расплавленного металла. Довольно часто, этот тип применят для соединения водопроводной и газовой сети.

Как подобрать диаметр?

Начинающие сварщики должны соблюдать диаметр и разновидность сварочного элемента. Помимо этого, важно соблюдать мощность электрического тока и правильное его подключение. Производители электродов на обратной стороне пачки указывают тип и область применения данного изделия.

Как уже было отмечено выше, толщина изделия подбирается в соответствии с выбранным металлом.  Новичкам рекомендуется начинать сварочные работы с более тонкого железа. Оно более пластично. Изделия получаются достаточно аккуратными и изящными.

Для этого подбирают электроды диаметром в 4 мм. На фото сварочных электродов изображены современные марки, которые обеспечивают прочное и надежное соединения железных деталей между собой.

Фото сварочных электродов

Также рекомендуем посетить:

• Костюм сварщика
• Типы сварочных аппаратов
• Как залудить паяльник
• Сварочный стол
• Сварочный аппарат своими руками
• Сварочный полуавтомат
• Сварочные провода
• Плазмотрон
• Как паять
• Сварочный аппарат для дома
• Споттер
• Как запаять радиатор
• Сварочная проволока
• Сварочный трансформатор
• Сварочная горелка
• Сварка полипропиленовых труб
• Газовая сварка
• Сварочный аппарат
• Плазменный сварочный аппарат
• Сварочные работы
• Точечная сварка
• Дуговая сварка
• Как варить алюминий
• Сварочная маска
• Электрододержатель
• Какой сварочный аппарат выбрать
• Холодная сварка
• Сварочный инвертор
• Как сварить металл
• Сварочное оборудование

Электроды для сварки в Москве

По размеру:

Информацию по оплате за безналичный расчёт уточните у менеджера

Последний раз цены обновились в

07 : 00 | 15. 09.2022

Размер

Ø2

Масса 1 п/м кг.м

350 ₽ / шт.

Размер

Ø2.5

Масса 1 п/м кг.м

350 ₽ / шт.

Размер

Ø3

Масса 1 п/м кг.м

350 ₽ / шт.

Размер

Ø3

Масса 1 п/м кг.м

1 750 ₽

/ шт.

Размер

Ø3

Масса 1 п/м кг. м

1 750 ₽ / шт.

Размер

2,5кг

Масса 1 п/м кг.м

1 450 ₽ / шт.

Размер

5,3кг

Масса 1 п/м кг.м

2 650 ₽ / шт.

Размер

Ø3

Масса 1 п/м кг.м

900 ₽ / шт.

Размер

Ø4

Масса 1 п/м кг.м

900 ₽ / шт.

Размер

125мм

Масса 1 п/м кг.м

80 ₽ / шт.

Размер

125х6

Масса 1 п/м кг.м

80 ₽ / шт.

Размер

150х6

Масса 1 п/м кг.м

100 ₽ / шт.

Размер

180х6

Масса 1 п/м кг.м

120 ₽ / шт.

Размер

230х6

Масса 1 п/м кг. м

150 ₽ / шт.

Размер

115х1,2

Масса 1 п/м кг.м

30 ₽ / шт.

Размер

125х1,0

Масса 1 п/м кг.м

35 ₽ / шт.

Размер

125х1,2

Масса 1 п/м кг.м

35 ₽ / шт.

Размер

125х1,6

Масса 1 п/м кг.м

35 ₽ / шт.

Размер

125х2,5

Масса 1 п/м кг.м

40 ₽ / шт.

Размер

150х2,5

Масса 1 п/м кг.м

60 ₽ / шт.

Размер

180х2,5

Масса 1 п/м кг.м

70 ₽ / шт.

Размер

230х1,8

Масса 1 п/м кг.м

80 ₽ / шт.

Электрод представляет собой металлический или неметаллический стержень с обмазочным покрытием. Выпускается более двухсот различных марок электродов, причем более половины всего ассортимента производится из плавящихся для ручной дуговой сварки. Предлагаем купить электроды для сварки стали по низкой цене с доставкой по Москве и Московской области.

По ГОСТ 9466-75 покрытые металлические электроды для ручной дуговой сварки сталей, наплавки классифицируют по назначению, механическим свойствам, химическому составу наплавляемого металла (видам), видам и толщине покрытий, а также некоторым сварочно-технологические особенности.

Виды покрытия электродов

• Кислые «А». Содержит ферромарганец, ферросилиций. Используется для постоянного или постоянного тока. Характеризуется высокой скоростью сплавления. Идеально подходит для нижних швов. Купить Вы можете оптом / розницу в Москве по низкой цене.
• Рутиловые «Р». Они имеют рутил (двуокись титана), карбонаты, алюмосиликаты, ферромарганец, жидкое стекло. Сварка валиков любого положения, типа постоянным или постоянным током. В результате последовательных химических реакций образуется защитный шлак, препятствующий горению элементов. Хорошее качество сварных соединений, низкая токсичность.
• Целлюлозные «Ц». В состав входят целлюлоза, марганцевая руда, тальк, рутил, ферромарганец. Вокруг дуги, сварочной ванны образуются защитные газы. Для всех швов; высокая скорость работы; Хорошее качество; нельзя допускать перегрева; высокие потери на разбрызгивание. Они используются для неразъемных соединений трубопроводов. Купить выгодно у нас.
• Базовые «Б». Содержит карбонаты кальция, фториды. Защитный диоксид углерода получают реакцией углерода карбонатах с кислородом дуге. Желательно выполнять работу под постоянным током с противоположной полярностью.
• Прочие «П». Содержит легирующие элементы. Качество шва улучшают введением в него определенного количества легирующих элементов из плавящегося типа.
• Специальные. Они содержат жидкое стекло с веществами, содержащими смолу. Беречь от попадания влаги. Используется для подводной сварки.

Купить электроды по самым выгодным ценам можно на сайте «МеталлСтрой» с доставкой по Москве, области. В каталоге можно ознакомиться с ценами, отзывами, фотографиями, подробными характеристиками товаров.

Согласно ГОСТ 9466-75 существует следующая классификация электродов:

• Маркировка Э46, Э46А, Э50А соответствует применению с теми материалами, где предел прочности на растяжение составляет 60 кгс/мм²;
• Изделия с маркировкой Э70, Э90, Э100, Э150 применяют для легированных сталей с показателем сопротивления 60 кгс/мм²;
• Маркировка Э-320Х25С2ГР, Э-08Х20Н9Г2Б, Э-07Х20Н9 для обработки высоколегированных сталей со специальными свойствами;
• Маркировка Э11Г3, Э10Г2 информирует о том, что данные электроды используются для нанесения материала с разными параметрами.

Купить аксессуары сварочные в Москве можно онлайн или позвонив по телефону указанному на сайте.

Электроды и аксессуары в Москве по выгодной цене

Они являются неотъемлемым атрибутом при лечении больных электромагнитным полем или электрическим током. Электротерапия считается самым популярным видом терапии. Аксессуары включают в себя:

• Электроды и наборы;
• насадки;
• держатели;
• губковые покрытия;
• кабели и т.д.

Предлагаем купить электроды для сварки стали по цене производителя. У нас доступные цены, большой ассортимент товаров для сварки. 

5 причин приобрести электроды и аксессуары в «МеталлСтрой»

• Основная часть продукции в наличии на складе — заказчику не нужно долго ждать доставку.
• Консультации специалистов на всех этапах сделки.
• Гарантия на всю продукцию.
• Оптимальные цены, специальные акции для наших партнёров.

Для консультации по всем техническим вопросам и заказа обратитесь к менеджерам компаний «МеталлСтрой» по тел. +7 (495) 640-68-58 или на эл. почту [email protected]

D1 8d D0 Bb D0 B5 D0 Ba D1 82 D1 80 D0 Be D0 B4 D1 8b Фото



D1 8d D0 Bb D0 B5 D0 Ba D1 82 D1 80 D0 Be D0 B4 D1 8b Фото — Бесплатные и RF Фото от Dreamstime

RESET Apply

Filter search results

Sort by

релевантность — уменьшение продажи — уменьшение дата загрузки – с последних

Content type

All Photos Illustrations Videos Audio

License

Image orientation

Color composition

People

Number of people

Gender

Age group

Ethnicity

More filters

Сбросить все фильтры

Мы принимаем запросы, свяжитесь с нашими авторами. Что-то не так? Связаться с нами

Поищите в категориях

Абстракция

Aerial, Безопасность, Блюр, Веселье, Исследование, Коллективная работа, Конкуренция, Любовь, Мастерство, Мир, Мобильники, Опасность, Планетарий, Помощь, Праздники, Религия, Роскошь, Сила, Спорт, Текстуры, Уникальность, Усилие, Успех, Фоны, Цветы, Чистота

Бизнес

Команда, Компьютеры, Люди, Метафоры, Натюрморт, Предметы, Промышленность, Путешествие, Связь/Коммуникации, Транспорт, Финансы

Животные

Грызуны, Дикая природа, Домашние любимцы, Млекопитающие, Морская жизнь, Насекомые, Птицы, Рептилии и амфибии, Ферма

Искусство/архитектура

Архитектура, В помещении, Детали, элементы, Дом, Достопримечательности, Исторические здания, Места работы, Ночные сцены, Под открытым небом, Руины и древности, Современные здания

Люди

Активность, Дети, Женщины, Косметика и макияж, Мужчины, Обнажённые, Пары, Подростки, Пожилые люди, Портреты, Работники, Разнообразность, Семьи, Части тела, Эмоции

Предметы

Другое, Звуки и музыка, Игрушки, Изоляты, Инструменты, Натюрморт, Одежда и аксессуары, Предметы домашнего обихода, Ретро, Спорт, Электроника

Природа

Вода, Водопады, Геология и минералы, Горы, Детали, элементы, Леса, Море и океан, Облака и небо, Озера и реки, Пейзажи, Поля и луга, Продукты, Пустыни, Растения и деревья, Растительность, Сезоны, Тропики, Фрукты и овощи, Цветы и сады, восход и заход солнца

Промышленность

Армия, Архитектура, Банк, Грузоперевозки, Еда и напитки, Компьютеры, Медицина, Нефть и газ, Образование, Окружающая среда, Производство, Путешествие, Развлечения, Связь/Коммуникации, Сельское хозяйство, Спорт, Страхование, Строительство, Транспорт, Энергия, Юриспрунденция

Путешествие

Азия, Америка, Антарктика, Африка, Деньги, Европа, Живописные места, Искусство/архитектура, Круиз, Курорт, Кухня, Океания, Тропики, Флаги

Редакционные

Достопримечательности, Знаменитости, Коммерческие, Люди, Погода/окружающая среда, Политика, События, Спорт

Технология

Другое, Компьютеры, Наука, Ретро, Связь, Телекоммуникация, Электроника

праздниках

Cinco de Mayo, Diwali, Halloween, Hanukkah, Mardi Gras, Благодарения, День матери, День отца, День святого Валентина, Другое, Новый год, Пасха, китайский Новый год, рамадан, рождество

Последние изображений

Сварочные электроды ЛЭЗ-46.

00. Описание, характеристики, фото

Изготавливаются сварочные расходные материалы модели ЛЭЗ-46.00 на производственных мощностях Лосиноостровского Электродного Завода. Их сфера применения – проведение ручной дуговой сварки. Данные электроды соответствуют типу Э46 по ГОСТу 9467-75. Это значит, что сваривать ими можно объекты, в качестве сырья для изготовления которых использовались стали конструкционные малолегированные и углеродистые, характеризующиеся величиной временного сопротивления внешней нагрузке, работающей на разрыв, не превышающей отметки 50 кгс/кв. мм. Проводить сварочные работы электродами модели ЛЭЗ-46.00 рекомендуется, когда швы должны соответствовать повышенным требованиям.

Технические характеристики

Сварку с помощью электродов ЛЭЗ-46.00 можно проводить в любом пространственном положении. 

Указывается это комбинацией стрелок на упаковке с изделиями (см. рис.). Ток может быть:

• постоянным обратной полярности, либо

• переменным от сварочного аппарата с 45,0 В≤U_{х. х.}≤55,0 В, где U_х.х. – напряжение холостого хода.

Рекомендуемое значение сварочного тока представлено в амперах таблице. Единица измерения диаметра электродов – миллиметры.

Диаметр электрода	Пространственное положение шва
	Сверху-вниз	Потолочное	Снизу-вверх	Нижнее
6,00	________	________	————	240,00-300,00
5,00			150,00-190,00	170,00-220,00
4,00	150,00-180,00	120,00-160,00	120,00-160,00	140,00-180,00
3,00	120,00-150,00	80,00-110,00	80,00-110,00	90,00-130,00
2,50	100,00-120,00	60. 00-100,00	60,00-100,00	70,00-90,00
2,00	40,00-60,00	40,00-60,00	40,00-60,00	40,00-60,00

Характеристики плавления

Характеристики плавления сварочных электродов предоставляют возможность определить потребность в этих изделиях на проведение работ заданного объема. Основным параметром для расчетов служит вес наплавленного металла. А норма расхода электродов, необходимых для формирования одного погонного метра шва (обозначение Н_р.), определяется по следующей формуле:

Н_р.=В_н.м.×N, где

N= В_н.м.в.и./I_св., где

Фактически, коэффициент наплавки N отображает эффективность сварочных работ, проводимых с расходными материалами конкретной марки.

Значения вышеуказанных параметров для электродов модели ЛЭЗ-46.00 такие:

• норма расхода Н_р.=1,70 кг/пог. м.;

• коэффициент наплавки N=8,0 г/А-ч.

Механические свойства металла шва

Перечень подлежащих контролю механических характеристик металлической основы шва и их значения устанавливают нормы ГОСТа 9467-75. Они представлены ниже.

• Временное сопротивление нагрузке, действующей на разрыв (обозначение Θ). Измеряется в паскалях. Данная характеристика представляет собой пороговую величину механического напряжения, превышение которой приведет к разрыву сварного шва. Для швов, сваренных электродамиЛЭЗ-46.00, Θ=460 МПа.

• Величина относительного удлинения (δ, %). Эта характеристика определяет уровень пластических свойств металла сформированного сварного шва. Вычисляется по формуле

δ= ПДШПР/ДН×100%, где

Для металла швов, сформированных электродами ЛЭЗ-46.00, δ=20%.

• Ударная вязкость (γ, Дж/кв. см). Определяет степень устойчивости к образованию трещин при воздействии внешних импульсных нагрузок. Утверждена методика проведения испытаний сварных швов на ударную вязкость нормами OCTа 26040. Образец должен размещаться на двух опорах. При этом маятниковый копер (пример такого оборудования изображен на рисунке), служащий в качестве испытательной машины, должен обеспечивать излом исследуемого изделия однократным ударом. Для сварных швов, изготовленных с помощью электродов ЛЭЗ-46.00, ударная вязкость при температуре +20℃ такая: γ=80 Дж/кв. см, а при температуре -20℃ γ=35 Дж/кв. см.
Химический состав металла сварного шва

Химический состав металлической основы сформированного сварного шва отличается, причем, существенно, от базового материала. Причина очевидна: в данной области перемешиваются металлы основной с электродным, а также различные присадки, применяемые в ходе сварочных работ. Кроме того, определенную долю составляют продукты реакций взаимодействия средств защиты и газов атмосферы с жидкой фазой.

Химический состав металлической основы сварного шва, полученного при помощи электродов модели ЛЭЗ-46.00, представлен ниже.

Элемент	Фосфор (Р), не больше	Сера (S), не больше	Кремний (Sі)	Марганец (Мn)	Углерод (С), не больше
Содержание, %	0,045	0,04	0,090-0,350	0,350-0,7	0,12

Особенности покрытия


У электродов модели ЛЭЗ-46. 00 покрытие рутилово-целлюлозное. Его основным компонентом является природный концентрат, в котором диоксида титана (формула ТіО₂) содержится 90%. Это вещество на латыни называется rutіlus. Второй составляющей обмазки рассматриваемых сварочных расходников является целлюлоза. Для производства стержней-сердечников используется стандартизованный длинномерный метиз – проволока марки CB-08. В ходе нанесения покрытия роль связующего элемента играет обыкновенное жидкое стекло.




У электродов с такой обмазкой имеются свои особенности, часть из которых можно рассматривать в качестве несомненных плюсов, а другие – уже как минусы.

Преимущества

К преимуществам рутилово-целлюлозного покрытия эксперты относят:

• очень незначительное содержание токсичных веществ. Таким образом, при разложении обмазки вредные газы выделяются в атмосферный воздух в малом количестве. Для состояния здоровья сварщика и его ассистентов – это весьма немаловажно. В сравнении с электродами иных типов, например, с кислыми, ферромарганцевых компонентов в рутилово-целлюлозном покрытии содержится очень немного, а соединения СаF вообще нет;

• невысокая активность входящего в обмазку оксида кремния (SіО₂), и, кроме того, отсутствие в ней окисей элементов Fе (железо) и Мn (марганец) обеспечивают невысокую степень окисления шлака. Наличие же целлюлозы в сочетании с малой концентрацией природного мрамора приводит к снижению окислительной способности газовой фазы;

• в ходе сварки наблюдается более высокий уровень образования шлака, чем при работе с электродами, имеющими чисто целлюлозную обмазку. Данное явление, наряду с повышением защиты наплавленного металла от контакта с атмосферным воздухом, обеспечивает улучшение металлургической самообработки сформированного шва посредством шлака;

• состав рутилово-целлюлозной обмазки включает двуокись титана и мрамор, но там отсутствует фтористый кальций (СаF₂), снижающий стабильность горения электродуги. Поэтому ей присущи высокие сварочно-технологические свойства. Этот плюс покрытия данного типа предоставляет возможность применения для сварки аппаратов переменного тока;

• состав металла сформированного шва полностью совпадает с этой же характеристикой спокойной стали. Поэтому его показатель раскисления считается хорошим. Сварные соединения также обладают повышенной пластичностью и ударной вязкостью;

• когда варятся многопроходные швы в вертикальном пространственном положении с перемещением электродов ЛЭЗ-46.00 сверху вниз, отмечается рост производительности сварочных работ примерно на 17-20 процентов;

• расходные сварочные материалы с покрытием, имеющим добавки железного порошка, характеризуются более высоким коэффициентом наплавки металла. И при этом: отделение шлака не сопряжено со сложностями; уровень потерь металла на разбрызгивание минимален; формирование шва осуществляется, практически, идеально.

Недостатки

Из минусов электродов ЛЭЗ-46.00 с рутилово-целлюлозной обмазкой можно выделить:

• большая концентрация целлюлозы требует проведение процедуры прокаливания при температуре Т≤110℃. В связи с этим влага удаляется из покрытия довольно-таки плохо. Гигроскопичность повышенного уровня вызывает необходимость тщательного соблюдения всех правил хранения электродов. В складских помещениях, где эти изделия будут находиться продолжительный отрезок времени, температура не должна быть ниже +15℃, а влажность воздуха – не превышать 50%. Прокаливание проводится в муфельных печах. Непосредственно после этой процедуры электроды должны помещаться в стандартные сушильные шкафы либо специальные термопеналы, в которых температура поддерживается в диапазоне 80℃≤Т≤90℃.;

• расплавленный металл без добавок порошка железа в ходе сварки значительно разбрызгивается;

• должная дефосфорация и десульфурация металла шлаком не обеспечивается. Из-за этого в шве содержатся в избыточном количестве фосфор и сера. Поэтому в сварном соединении возможно появление разрушений в виде горячих межкристаллических трещин и, кроме того, ему характерна относительно невысокая механическая прочность;

• в металле шва отмечается повышенная концентрация элемента Н (водород). Это увеличивает угрозу возникновения уже холодных межкристаллических трещин. По данной причине не рекомендуется сваривать электродами ЛЭЗ-46.00 объекты из высоколегированных сплавов.

Маркировка

Чтобы потребитель знал специфику применения электродов, на упаковку наносится определенная буквенно-цифровая последовательность. Рассмотрим вопрос, как она расшифровывается.

Например, на прилавке магазина стройматериалов находится пачка сварочных расходных материалов с такой маркировкой: Э-46-ЛЭЗ-46.00-УД Е 43 1(3) PЦ-13. Согласно ГОСТу 9466-75, характеристики этих изделий могут обозначаться одним либо группами символов. В частности,

• сочетание литеры «Э» с числом «46» говорит, что это электроды типа Э-46. Об их предназначении речь шла в начале статьи;

• далее следует марка расходников. У нас это электроды ЛЭЗ-46.00;

• идущая затем буква «У» указывает на тип подходящих для работы сталей – конструкционные малолегированные и углеродистые с показателем сопротивления нагрузке, действующей на разрыв, не превышающей отметку 60 кгс/кв. мм;

• литера «Д» информирует, что покрытие является толстым. Такая «размытая» формулировка уточняется конкретными цифрами. В целом, при установлении показателя «толщина обмазки», нормы ГОСТа 9466-75 учитывают значение соотношения D_п./d_с., где D_п. – диаметр покрытия; d_с. – диаметр стержня. Если в маркировке имеется буква «Д», значит соотношение этих диаметров находится в диапазоне 1,45≤D_п. /d_с.≤1,8;

• литерой «Е» принято обозначать на международном уровне покрытые плавящиеся электроды;

• число «43» отображает предельную прочность сварного шва по отношению к нагрузке, действующей на растяжение – у нас это примерно 43 кгс/кв. мм;

• цифра «1» – показатель относительного удлинения – не больше 20 процентов;

• стоящая в скобках цифра «3» обозначает минимальную температуру, при которой вязкость металла шва остается равной 34 Дж/кв. см. В данном случае Т=-20℃;

• сочетание букв «PЦ» говорит, что покрытие рутилово-целлюлозное;

• идущая далее цифра «1» свидетельствует о допустимости проведения сварки в любом пространственном положении;

• завершающая цифра «3» обозначает, что электрод работает на постоянном обратном токе и на переменном токе от источника с 45,0 В≤U_{х. х.}≤55,0 В.

Заключение

Работы по нанесению покрытия проводятся на специальном агрегате в автоматическом режиме.  Благодаря этому, они отличаются высокой производительностью. Твердые компоненты подвергаются подсушиванию с последующим измельчением. Фрагменты просеивают с целью отделения фракций требуемых размеров. Для удаления серы смесь обжигается. Потом она подается в смеситель, предварительно наполненный жидким специальным составом. Завершающий этап заключается в погружении стержней в подготовленную смесь.

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.comments powered by Disqus

7 лучших сварочных электродов

Электроды для ручной сварки углеродистой и нержавеющей стали

Категории:

1. Лучшие электроды с рутиловым покрытием
2. Лучшие электроды с основным покрытием

Автор: Дмитрий Вишнёв

Обзор лучших электродов для ручной сварки углеродистых и коррозионно-стойких сталей составлен при использовании публикаций журналов «Сварка и диагностика», «Металлургический бюллетень» и других специализированных источников. В статье обобщены интернет-отзывы профессиональных сварщиков о продукции разных производителей.

Критерии отбора

К сожалению, российские электроды проигрывают многим зарубежным аналогам по большинству параметров. Однако «прорывы» в этой области уже наметились. Российская электродная продукция, выпускаемая на немногочисленных пока совместных предприятиях, по стабильности качества уже не уступает многим маститым брендам. Начали «подтягиваться» к ним и некоторые заводы отечественной подчиненности. Однако в случаях, когда требуется уверенно обеспечить высокое качество шва, профессионалы по-прежнему предпочитают использовать более дорогие, но и более качественные электроды зарубежного производства. Для сварочных инверторов подходят электроды любого типа, для сварочных аппаратов переменного тока подходят не все типы.

При выборе лучших электродов для обзора мы руководствовались следующими критериями:

• объемы производства;
• качество продукции;
• попадание производителя в обзоры по электродной промышленности;
• отзывы профессионалов.

Для корректности сравнения цен мы включили в обзор только самый часто применяемые электроды диаметром 3 мм.

Основным параметром любого сварочного электрода, определяющим большинство его свойств – от легкости розжига до качества шва – является состав его обмазки. Наиболее распространенными сегодня являются следующие виды обмазок:

• Рутиловые электроды (и электроды со смешанной обмазкой на этой основе – рутилово-целлюлозные и так далее) стали одними из самых популярных благодаря легкости розжига, в том числе и повторного, сниженной (в разумных пределах) чувствительности к отсыреванию. Они могут использоваться и на переменном, и на постоянном токе во всех направлениях шва, но при выборе рутилового электрода нужно быть внимательным – можно купить как хороший электрод, так и загрязняющий шов огромным количеством шлаковых язв, пригодный разве что для прихваток.
• Электроды с основным покрытием чаще всего используются при сварке постоянным током в особо ответственных местах. При горении обмазки в большом количестве выделяется углекислый газ, надежно защищающий сварочную ванну от воздействия кислорода. Сам шов получается более пластичным, чем при сварке распространенными типами рутиловых электродов. Обратная сторона медали – это повышенная чувствительность к влажности и затрудненный розжиг: варить такими электродами заметно труднее.

Рейтинг лучших электродов для сварки

Категория	Место	Наименование	Рейтинг
Лучшие электроды с рутиловым покрытием	1	ESAB-SVEL ОК 46. 00	9.6 / 10
	2	Lincoln Electric Omnia 46	9.5 / 10
	3	ОЗС-12 (СпецЭлектрод, Москва)	9.0 / 10
	4	Ресанта МР-3	8. 7 / 10
Лучшие электроды с основным покрытием	1	Kobelco LB-52U	9.5 / 10
	2	ОЗЛ-8 (ЛЭЗ)	9.1 / 10
	3	УОНИ 13/55	8. 9 / 10

Лучшие электроды с рутиловым покрытием

ESAB-SVEL ОК 46.00 Рутилово-целлюлозные электроды, производящиеся в России под контролем шведского концерна ESAB. Электроды этой марки можно уверенно назвать одними из лучших в своей ценовой категории – они легко горят даже при частичном отсыревании, могут работать в любом направлении шва на постоянном и переменном токе, причем минимальный порог тока, необходимого для уверенного горения, у них заметно ниже в сравнении с другими распространенными типами рутиловых электродов. Благодаря этому использование OK 46.00 при сварке тонкостенных деталей значительно упрощает работу даже профессиональному сварщику, не говоря уже о начинающих. Эти электроды мало чувствительны к загрязнению поверхности и позволяют сваривать даже сильно пораженный коррозией металл без тщательной предварительной зачистки. Образующийся в сварочной ванне шлак легко отделяется, остывший шов имеет отличные прочностные характеристики и вязкость. Даже сильно отсыревший электрод не требует особых мер по его «реанимации» — прокалка может вестись при температуре всего 70-90 градусов. Основные плюсы: Отличное сочетание цены и качества Легкость работы по ржавому металлу, с тонкостенными деталями на минимальном токе. Минусы: Хотя шов и прочен, в ответственных случаях предпочтительнее основные электроды.

9.6 / 10 Рейтинг Отзывы Пожалуй, это лучшие из доступных электродов такого типа. Особо радует, что они производятся у нас в стране – по сравнению с поделками СЭЗ или ЛЭЗ разница огромная.

Lincoln Electric Omnia 46 Американская фирма Lincoln Electric специализируется на сварке уже более ста лет, а первый созданный ей электрод с обмазкой был выпущен на рынок еще в 1927 году. Опыт в разработках не прошел даром: сравнительно недавно выпущенные на рынок электроды с рутилово-целлюлозной обмазкой Omnia 46 заслужили и признание сварщиков, и достойное место в рейтинге лучших сварочных электродов от «Эксперта цен». Учитывая доступную цену, они станут прекрасным выборов для новичков, так как легко разгораются даже на бюджетных инверторах без функций облегчения розжига. Длина дуги не требует четкого контроля, так как электроды мало чувствительны к ее изменению в разумных пределах. При горении Omnia 46 образуется сравнительно малое количество разлетающихся искр – а это не только удобство в работе, но и пожарная безопасность. Легкое отделение шлака позволяет работать ими по ржавой и загрязненной поверхности. Образующийся шов отличает высокая прочность, сравнимая с многими электродами, имеющими основную обмазку, что позволяет применять Omnia 46 при сварке работающих под давлением трубопроводов. Основные плюсы: Высокая прочность шва. Легкий розжиг и ведение дуги. Минусы: Средняя стойкость к отсыреванию, компенсирующаяся возможностью прокалки при самых низких температурах.

9.5 / 10 Рейтинг Отзывы Купив «для пробы», был сильно удивлен качеством недорогих, в общем-то, электродов: зажигаются как бенгальский огонь, горят ровно, не забивая шов шлаком.

ОЗС-12 (СпецЭлектрод, Москва) Достаточно качественные электроды, имеющие сертификацию НАКС для применения при сварке низкоуглеродистых сталей на ответственных и опасных объектах. Шов при использовании этих электродов легко и ровно ведется, после остывания покрываясь легко отделяющейся корочкой шлака. Его прочность при этом не хуже, чем при использовании большинства типов распространенных рутиловых электродов, отсутствует склонность к растрескиванию или образованию крупных включений шлаков. Однако все эти качества требуют соблюдения двух правил. Во-первых, обмазка электродов ОЗС-12 – одна из наиболее чувствительных к отсыреванию, что для рутиловых электродов нетипично. Перед каждым применением электроды требуют тщательного прокаливания при температуре около 150 градусов в течение часа, что делает их не самым удобным вариантом для сварки: в конце концов, точно так же придется прокаливать и основные электроды, но они обеспечат более прочный шов. Во-вторых, зона сварки требует зачистки – крупные включения загрязнений из ванны удаляются плохо, снижая качество шва. Основные плюсы: При правильном использовании обеспечивают прочный и красивый шов без особых требований к мастерству сварщика. Доступная цена. Минусы: Высокая чувствительность к влаге.

9.0 / 10 Рейтинг Отзывы Лучше всего покупать их в маленьких пачках – так они меньше успевают отсыреть при хранении. Сухими дают приличный шов даже в руках «гаражных Кулибиных».

Ресанта МР-3 Рутиловые электроды типа МР-3 можно назвать одними из самых распространенных, но это одновременно является их главным минусом: продукция различных заводов значительно различается по качеству, и часто оно оказывается весьма посредственным – отсюда и определенное недоверие, которое испытывают сварщики к этой марке. Произведенные под брендом «Ресанта» электроды можно назвать удачными (особенно в сравнении с электродами ЛЭЗ того же типа). Сохранив все плюсы серии (легкость розжига и ведения дуги в любом направлении, возможность работы по ржавчине), они не имеют вместе с этим и распространенных дефектов – склонности к образованию шлаковых язв и пор, перекристаллизации при повышенном содержании углерода в свариваемых деталях (хотя для высокоуглеродистой стали по-прежнему подходят слабо). Чувствительность к отсыреванию у них выражена несколько больше, чем это привычно для МР-3, и режим прокалки также жестче: не менее часа при 150-170 градусах. Основные плюсы: Легкий розжиг, низкие требования к контролю длины дуги. Возможность работы на постоянном и переменном токе. Качественное отделение шлака. Минусы: Значительное ухудшение качества шва при отсыревании.

8.7 / 10 Рейтинг Отзывы По-прежнему не могу назвать МР-3 лучшими из электродов для кого-то, кроме новичков, но в числе прочих «Ресанте» удалось выделиться и приятно удивить качеством.

Лучшие электроды с основным покрытием

Kobelco LB-52U Эти электроды производятся в Японии дочерним предприятием одного из крупнейших металлургических концернов этой страны – Kobe Steel, Ltd. Их назначение – ответственная сварка узлов из низкоуглеродистых сталей, где конструктивно отсутствует возможность двухсторонней проварки, например, при сварке трубопроводов. Отсюда и высокие требования к пластичности шва и минимальному количеству остаточных шлаков, не выводимых из объема сварочной ванны. Можно сказать, что японцам это удалось: электроды LB-52U действительно способны создать ровный шов без раковин и неравномерного провара, отлично разгораются и держат дугу. Прочность шва – до 588 Н/мм2. Естественно, примененное основное покрытие обусловило и ряд специфичных особенностей использования электродов – перед применением обязательна прокалка при температуре до 300 градусов для удаления влаги, в противном случае и горение электрода, и качество шва ощутимо ухудшаются. Также будет ощутима и разница швов, сваренных на постоянном и переменном токе. Основные плюсы: Прочный и вязкий шов высокой чистоты. Легкое ведение шва в любом направлении. Минусы: Высокая чувствительность к отсыреванию.

9.5 / 10 Рейтинг Отзывы Одни из лучших электродов для использования на стационарном посту, но при работе на выезде они не так удобны, особенно при ремонте трубопроводов – слишком быстро набирают влагу.

ОЗЛ-8 (ЛЭЗ) Электроды предназначены для сварки сталей с высоким содержанием хрома и никеля, в первую очередь – нержавеющих. Допускается использование только на постоянном токе обратной полярности, короткой дугой. При соблюдении этих условий сварщик может положить прочный шов с минимальной склонностью к коррозии и подкалке, что дает возможность применения электродов ОЗЛ-8 при сварке высоконагруженных узлов, в том числе и работающих в условиях знакопеременных нагрузок. После сварки образуется небольшое количество шлака, который легко отделяется. Шов не растрескивается при остывании, однако следует избегать его резкого охлаждения для исключения вероятности кристаллизации, значительно снижающей прочность. Перед применением обязательна прокалка обмазки при высокой температуре (до 300 градусов). Основные плюсы: Достаточно доступная (для своего класса) цена. Легкость ведения шва. Минусы: Значительное ухудшение характеристик при увлажнении.

9.1 / 10 Рейтинг Отзывы Хотя это и не самые дорогие электроды по нержавейке, но работать ими вполне можно – шов ровный и прочный, не покрывающийся коррозией.

УОНИ 13/55 Одни из самых часто используемых при сварке ответственных деталей из углеродистой сталей электроды с основным покрытием. Их отличает не только высокая прочность шва, но и его стойкость к знакопеременным нагрузкам – постоянное циклическое воздействие сжатия и растяжения не приводит к быстрому образованию усталостных трещин. Основная заслуга в этом – материала обмазки: его напоминающий смолу расплав эффективно выводит из зоны сварки все шлаки, исключая появление в остывшем шве шлаковых язв – основных концентраторов напряжения. После остывания шлак приобретает характерный вид застывшего стекла, легко скалывается со шва. Увы, именно эта обмазка одновременно является и минусом электродов УОНИ: их трудно разжечь (начинающему сварщику это зачастую удается только после длительных попыток), повторный розжиг даже после небольшого перерыва уже требует зачистки конца электрода: расплав обмазки моментально «схватывается» на кончике, изолируя металл. Однако, набравшись опыта, сварщик начинает понимать все достоинства электродов данного типа, получая прочные и одновременно эстетичные швы. Основные плюсы: Высокая прочность шва, устойчивость к циклическим нагрузкам разной направленности. Надежное удаление шлака из сварочной ванны. Минусы: Трудный розжиг. Ведение шва требует привыкания к особенностям именно этого типа электродов.

8.9 / 10 Рейтинг Отзывы Это не электроды для любителя, а инструмент для профессионала, способного управиться с «характером» УОНИ. Но они того стоят.

Правильный выбор электрода требует учитывать многие факторы. К примеру, при необходимости сварить сталь с высоким содержанием углерода многие сварщики посоветуют Вам электроды УОНИ – но не факт, что в неопытных руках из получится что-то хорошее. Вместе с тем более удобные в работе электроды наподобие ОЗС-12 позволят получить более качественный результат – но только до того момента, когда Вы не освоите сварку более сложными в работе типами электродов.

Нужно учитывать и условия хранения: держать в гараже большинство типов электродов с основным покрытием значит обречь себя на постоянный и длительный прожиг обмазки перед сваркой, которая сама может занимать буквально несколько минут, и рутиловые электроды в таком случае будут более предпочтительными, особенно типы с самой низкой температурой прокалки (ESAB OK 46.00, Omnia 46).

Оцените статью

4.3 / 5

Всего голосов — 77, рейтинг — 4. 3

Обновлено 29.01.2020

^* обратите внимание, что достоверность сведений и результатов составления рейтингов носит субъективный характер и не является рекламой

Комментарии

Сварка электродами диаметром 2 мм и меньше — высший пилотаж — Ручная дуговая сварка — ММA

#1 Rolli

Отправлено 25 October 2015 20:26

  Интернет уже трещит по швам от количества видео про тестирование сварочных источников и электродов. И почти везде показаны электроды диаметром 3…6 мм, и даже тройкой варят листы металла толщиной 8…10 мм. (Они бы ещё стальные поковки весом 300 кг взяли, тогда уж точно прожогов не будет…) 

  Интересно, много ли существует сварщиков, умеющих виртуозно варить электродами малых диаметров — 2,0 мм, 1,6 мм, 1,5 мм? Особенно электродами с основным покрытием для нержавеющих сталей. И в разных пространственных положениях  



• Наверх
• Вставить ник

---

#2 Elektro_D

Отправлено 25 October 2015 20:33

Интересно, много ли существует сварщиков, умеющих виртуозно варить электродами малых диаметров — 2,0 мм, 1,6 мм, 1,5 мм? Особенно электродами с основным покрытием для нержавеющих сталей

А зачем так заморачиваться, если такие электроды то и металл естественно должен быть тонкий, а если тонкий металл и большие обьемы то лучше TIG или ПА 



• Наверх
• Вставить ник

---

#3 Rolli

Отправлено 25 October 2015 21:01

  Если объёмы работ большие (независимо от толщины металла), то лучше сварочный автомат (робот).

  Сварка в защитных газах имеет ряд недостатков:

1. в зоне сварки не должно быть сильного ветра (иначе газовую защиту сдует)

2. в помещении должна быть обеспечена приточно-вытяжная вентиляция, или персонал должен работать в дыхательных приборах;

3. оборудование имеет сравнительно большой вес и размеры — это снижает мобильность, затрудняет работу на крышах, приставных лестницах и т.д.:

4. газы и оборудование стоят дорого, при малых объёмах работ стоимость не окупается

  В конце концов, раз такие электроды выпускают — значит, они кому-то нужны



• Наверх
• Вставить ник

---

#4 psi

Отправлено 25 October 2015 21:12

не вижу проблемы. если все как надо (аппарат, эектрод, подготовка)



• Наверх
• Вставить ник

---

#5 Elektro_D

Отправлено 25 October 2015 21:30

В конце концов, раз такие электроды выпускают — значит, они кому-то нужны

Похоже только Вам, шутка ))

Ну а так не знай, как то пробовал варить профиль 15х15х1. 5 электродами 2мм, так это не пойми что, бенгальский огонь горит дольше чем этот электрод, да еще и рутил был, у них и так один шлак, а тут вобще почти не че не видно (и сварочная ванна очень маленькая), взял тройку и все нормально обварил.

Сообщение отредактировал Elektro_D: 25 October 2015 21:45

• Наверх
• Вставить ник

---

#6 Bizet

Отправлено 25 October 2015 22:19

Похоже только Вам, шутка ))

Ну а так не знай, как то пробовал варить профиль 15х15х1.5 электродами 2мм, так это не пойми что, бенгальский огонь горит дольше чем этот электрод, да еще и рутил был, у них и так один шлак, а тут вобще почти не че не видно (и сварочная ванна очень маленькая), взял тройку и все нормально обварил.

Ага. В итоге взял 3 мм, а от 2 мм использовал проволоку как присадку, чтобы не прожигать.



• Наверх
• Вставить ник

---

#7 Elektro_D

Отправлено 25 October 2015 23:54

Ага. В итоге взял 3 мм, а от 2 мм использовал проволоку как присадку, чтобы не прожигать

Остроумно. Не успевал прожигать там варить то полтора сантиметра. 



• Наверх
• Вставить ник

---

#8 Renat_Spb

Отправлено 26 October 2015 01:03

как то пробовал варить профиль 15х15х1. 5 электродами 2мм, так это не пойми что, бенгальский огонь горит дольше чем этот электрод, да еще и рутил был, у них и так один шлак, а тут вобще почти не че не видно (и сварочная ванна очень маленькая)

 

 

Ага. В итоге взял 3 мм, а от 2 мм использовал проволоку как присадку, чтобы не прожигать.

 

Электроды d=2мм — такие же электроды, как и их более толстые собратья. На скорость горения электрода у вас есть скорость ведения шва, да и много других приемов. Тут полно профессионалов, которые могут и не такое.А если спросить да свои швы показать, думаю что подскажут много интересного.

 

 

 

как то пробовал варить профиль 15х15х1.5 электродами 2мм

 

Вот труба 1мм толщиной от старых низеньких  газонных ограждений.Специально снимал с увеличением.

Не подарок в плане ржавчины, старой краски и следов сварки, но и она варится электродами 2мм. Я начинал с рутиловых — они неприхотливее, но у УОНИИ шовчик поблестящее, хоть и готовить место надо тщательней.

 

 

 

И в общем, до появления кемпика, все тонкие вещи исполнялись 2мм электродами без особых страданий. Наверное самым трудным было освоить сварку профильной трубы при соединении под 45 град. — тогда получается глухой герметичный стык, но требуется сноровка на самих вершинах углов — там металл тонкий у обои соединяемых деталей (фото к сожалению нет, огрызок переполнен был)

Наверное стоит еще потренироваться и тщательнее подобрать режимы, особенно ток и скорость ведения держака — все должно получиться.



• Наверх
• Вставить ник

---

#9 Elektro_D

Отправлено 26 October 2015 10:39

но и она варится электродами 2мм

И не только ими.  



• Наверх
• Вставить ник

---

#10 morgmail

Отправлено 26 October 2015 11:08

Я тут показал, как варить миллиметровку электродами 3.2 и 2.6мм.



• Наверх
• Вставить ник

---

#11 sakh999

Отправлено 26 October 2015 13:56

Постоянно варю глушителя электродами, вообще конечно всегда хочу электродом собрать на прихватки и потом tig’ом обварить, но заказчики всегда торопятся и приходится все ваять электродом. ..
По чернухе пользую ОК46 диаметром 2мм, ими варил даже трубу со стенкой 1мм, ток правда был 30-40ампер.
Если нержа, а она чаще всего 1-1,5мм варю электродами 61.30 в диаметре 1,6мм, только меняю полярность и в бой. В среднем сварка идет на 50амперах, с периодическим остыванием.


• Наверх
• Вставить ник

---

#12 psi

Отправлено 27 October 2015 10:06

morgmail, штангенциркулем долбить 



• Наверх
• Вставить ник

---

#13 Dmitry1962

Отправлено 27 October 2015 10:14

morgmail, штангенциркулем долбить 

Может, у него дядя на штангенциркулевой фабрике работает. ..



• Наверх
• Вставить ник

---

#14 morgmail

Отправлено 27 October 2015 11:16

штангенциркулем долбить 

Да, я знал на что иду.     



• Наверх
• Вставить ник

---

#15 Etalon

Отправлено 27 October 2015 14:13

В конце концов, раз такие электроды выпускают — значит, они кому-то нужны

 

Просто такие электроды достаточно сложно найти в продаже. У нас даже в специалицированных магазинах(за рынки просто молчу) по сварке, почти всех, что я знаю в городе — не знают что такое рутиловое/основное покрытие. У них по старинке: переменка/постоянка…

А двойкой очень хорошо варить тонкостенный прокат — шов получается намного аккуратнее. Ну и чем меньше вносим температуры и «присадочного» материала в зону сварки — тем меньше степень дефоормаций.



• Наверх
• Вставить ник

---

#16 Rolli

Отправлено 27 October 2015 18:49

  Но самые коварные электроды малого диаметра — это электроды со стержнем из нержавеющей стали с основным покрытием. Стержень из такой стали обладает большим активным сопротивлением, в случае залипания электрода он сильно разогревается, деформируется и приходит в негодность. Малая толщина покрытия затрудняет опирание электрода на козырёк.

  Есть желающие продемонстрировать процесс сварки такими электродами? От любого типа сварочных источников



• Наверх
• Вставить ник

---

#17 АВН

Отправлено 27 October 2015 19:15

Да уж более тридцати лет демонстрируют: ЭА-400/10у, ЭА-400/10т, ЭА-395/9 и др. — присылайте. У Вас какой диаметр?



• Наверх
• Вставить ник

---

#18 som

Отправлено 27 October 2015 19:40

У Вас какой диаметр?

 ))))).

Как там у них? — «Размер не имеет значения :*..» 



• Наверх
• Вставить ник

---

#19 АВН

Отправлено 27 October 2015 19:45

Зато каждый ампер на балластнике имеет значение, особенно перед и сразу после обеда.



• Наверх
• Вставить ник

---

#20 Rolli

Отправлено 27 October 2015 19:46

  Пока что я не нашёл в интернете ни одного видео про сварку нержавейки электродами с диаметром стержня 2,0 мм и меньше. 



• Наверх
• Вставить ник

---

Высокоэффективные фотоэлектроды III-V для расщепления солнечной воды за счет синергетически подобранной структуры и стехиометрии

Введение

Высокоэффективные и долговечные материалы для фотоэлектрохимического (PEC) расщепления солнечной воды были предметом интенсивных исследований в течение последних десятилетий. из-за их значительного потенциала для экономичного производства экологически чистого энергоносителя, водорода, а также для устранения присущей прерывистости солнечной электроэнергии ^{1,2,3,4,5,6,7,8,9} . Среди различных рассматриваемых систем материалов множество превосходных свойств материалов, включая прямую запрещенную зону, соответствующую энергетику края зоны, а также способность монолитно формировать несколько твердотельных переходов с идеальной комбинацией ширины запрещенной зоны для поглощения солнечного света, делают составные полупроводники III–V такими как арсенид галлия (GaAs) исключительно привлекательный для фотокаталитических электродов в фотоэлектрохимическом расщеплении воды на солнечной энергии ^4,5,10,11,12 . Тем не менее, практическое использование этих материалов для расщепления солнечной воды сильно затруднено в основном из-за присущей им термодинамической нестабильности против коррозии в широком диапазоне pH при соответствующих электрохимических потенциалах реакций электролиза воды ^13,14,15,16 . Однако разработка надежных защитных материалов для полупроводниковых фотоэлектродов представляет собой загадку материалов из-за сложных и часто противоречивых требований к характеристикам материалов на границе раздела сред, где необходимо одновременно учитывать процессы оптического поглощения, переноса заряда, электрокатализа, а также защиты от коррозии. и оптимизировано ^{13,16,17,18,19} .

Фосфид галлия-индия (Ga _0,51 In _0,49 P, обозначаемый как GaInP ₂ ), тройной сплав, согласованный с решеткой GaAs, является незаменимым компонентом материала для реализации сверхвысокой (> 20%) солнечной радиации. к водороду из-за его почти идеальной ширины запрещенной зоны (~ 1,8  эВ) для материала с большой шириной запрещенной зоны в многопереходных фотоэлектродах ^4,5,12 . В таких тандемных системах расщепления солнечной воды верхний переход на основе GaInP ₂ непосредственно подвергается воздействию жидкого электролита, тем самым отвечая не только за управление одной из полуреакций расщепления воды (т. е. выделение водорода или кислорода), но и служит первым оптическим интерфейсом для приема солнечного света. Таким образом, минимальные оптические потери и электрохимическая стойкость в агрессивных электролитах являются двумя наиболее важными свойствами материалов, необходимых для GaInP 9.0015 2 фотоэлектроды. В то время как френелевское отражение на границе раздела полупроводник/вода мгновенно теряет большую часть (~20–25%) падающего солнечного света ^5,11 , тонкие диэлектрические пленки (например, Si ₃ N ₄ ), часто используемые в качестве антиотражающие покрытия (ARC) в фотогальванических устройствах не подходят для фотоэлектродов PEC из-за присущей им нестабильности в сильнокислых или щелочных электролитах, плохих характеристик переноса заряда и/или низкой или отсутствующей каталитической активности в реакциях расщепления воды. В связи с этим подходы, которые могут уменьшить отражение от передней поверхности при одновременном повышении каталитической эффективности и коррозионной стойкости, пользуются большим спросом, поскольку они могут реализовать весь потенциал GaInP 9. 0015 2 и, в более широком контексте, фотоэлектроды на основе III–V в солнечном расщеплении воды ^{10,20,21,22,23} . Здесь мы сообщаем о стратегии, которая может решить эти проблемы, не полагаясь исключительно на дополнительные защитные материалы. В представленной схеме используется синергетическое сочетание интерфейса нанопористых материалов с регулируемой плотностью и стехиометрического контроля на основе серы для одновременного достижения улучшенного поглощения света и каталитической эффективности, а также подавления кинетики коррозии. Далее систематические исследования оптических, морфологических, композиционных и электрохимических свойств вместе с численным оптическим моделированием, основанным на методе конечных разностей во временной области, обеспечивают количественное описание основных научных принципов в заявленной системе на основе GaInP 9.0015 2 , ключевой материал, который может оказать непосредственное влияние на разработку сверхвысокоэффективных систем разделения воды на солнечной энергии.

Результаты

Изготовление GaInP с адаптированной поверхностью

₂ фотокатодов

В качестве активного материала для фотокатодов в солнечном электролизе воды, p-тип (легированный Zn, 2 × 10 ¹⁷ −5 P 9000 см 39000 2 толщиной 2,5 мкм выращен на подложке (100) GaAs методом газофазной эпитаксии металлов при атмосферном давлении (MOVPE) ^5,24 . На рисунке 1a схематично показаны процедуры изготовления фотокатодов GaInP ₂ с адаптированной поверхностью. Процесс начинается с удаления оксидов с выращенного GaInP p-типа ₂ в разбавленном растворе NH ₄ OH и травителя хрома с последующим погружением в водный раствор нитрата серебра (AgNO ₃ ) и плавиковой кислоты ( ВЧ). Катионы серебра в растворе восстанавливаются без использования электричества с образованием наночастиц серебра, которые могут служить жесткой маской при последующем сухом травлении GaInP 9.0015 2 , где размер и плотность наночастиц серебра можно легко контролировать, регулируя концентрацию прекурсоров и/или время покрытия ^25,26 . Затем было проведено реактивно-ионное травление с индуктивно-связанной плазмой (ICP RIE) с использованием газовой смеси BCl ₃ /N ₂ для формирования конусообразных наностолбиков GaInP ₂ с последующим удалением остаточного серебра влажной химический травитель. После формирования нанопористой морфологии была выполнена химическая пассивация наноструктурированной поверхности (дополнительный рисунок 1). Поверхность «черного» GaInP ₂ замачивали в водном растворе сульфида аммония ((NH ₄ ) ₂ S) с последующим термическим отжигом на воздухе для включения коррозионностойкой стехиометрии поверхности. В последующем обсуждении этот двухстадийный процесс, состоящий из (NH ₄ ) ₂ S-пассивации и термического отжига, называется (NH ₄ ) ₂ S-обработкой, если не указаны дополнительные спецификации. На рисунке 1b показано изображение репрезентативного GaInP 9, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с наклонным обзором. 0015 2 наноструктура после сухого травления (пока без (NH ₄ ) ₂ S-обработки). Диаметр наностолбиков постепенно уменьшался от основания к кончику, тем самым создавая градуированный показатель преломления для подавления отражения от передней поверхности ^26,27 . Затем GaInP ₂ с адаптированной поверхностью был электрически соединен с медным проводом на металлическом контакте на задней стороне образца и герметизирован термоотверждаемой эпоксидной смолой для получения полностью функциональных фотокатодов, готовых для запуска полуреакции выделения водорода при расщеплении солнечной воды. ²⁸ .

Рис. 1

Схематическое изображение, морфологические и оптические свойства фотокатодов GaInP ₂ с адаптированной поверхностью. a Схематическое изображение процессов изготовления черных фотокатодов GaInP ₂ с адаптированной поверхностью. b Изображение на сканирующем электронном микроскопе (SEM) с наклонным обзором наноструктурированных фотокатодов p-типа GaInP ₂ после сухого травления и до (NH ₄ ) ₂ S-обработки (масштабная линейка: 500 нм). На верхней вставке показано СЭМ-изображение наночастиц серебра, нанесенных неэлектрическим способом на GaInP 9.0015 2 в качестве маски для сухого травления (масштабная линейка: 1 мкм). На нижней вставке показаны фотографические изображения полностью функциональных голых (обозначенных как «Голые») и наноструктурированных (обозначенных как «NS») GaInP ₂ фотокатодов, установленных на предметном стекле с эпоксидной герметизацией (масштабная линейка: 5  мм), где черный поверхность наноструктурированного GaInP ₂ хорошо видна в отличие от блестящей поверхности голого GaInP ₂ . c Глубина травления наноструктурированного GaInP ₂ (но без (NH ₄ ) ₂ S-обработка) измерено по изображениям SEM в поперечном сечении (вставка) при времени травления 1, 2, 3 и 4 мин (масштабная линейка: 300 нм). Планки погрешностей представляют собой диапазон значений, полученных из трех отдельных измерений ( n  = 3). d Соответствующие спектры полного (т. е. зеркального и диффузного) отражения наноструктурированного GaInP ₂ , измеренные на спектрофотометре, оснащенном интегрирующей сферой, под углом падения 8°. Рассчитанные (пунктирная линия) спектры отражения, полученные с помощью численного оптического моделирования на основе FDTD, хорошо согласуются с экспериментальными (сплошная линия) спектрами. e Расчетные спектры поглощения наноструктурированного GaInP ₂ в воде с использованием численной модели, установленной в d . На вставке показано соответствующее интегрированное поглощение солнечного потока ( S_abs )

Полноразмерное изображение

Оптические свойства черного GaInP

₂ фотокатоды

Эффективное попадание солнечного света в полупроводниковый фотоэлектрод является одним из ключевых преимуществ черного GaInP. ₂ ^23,26 . Средняя высота наноструктуры GaInP ₂ , измеренная по изображениям поперечного сечения РЭМ (рис. 1в), составляла приблизительно ~60, ~320, ~450 и ~550 нм для времени травления 1, 2, 3 и 4 мин. , соответственно. В целом высота наностолбиков увеличивалась со временем сухого травления, в то время как скорость роста уменьшалась через 2 мин в настоящих экспериментальных условиях. На рисунке 1d показан соответствующий общий коэффициент отражения (то есть сумма диффузного и зеркального) наноструктурированного GaInP 9.0015 2 при почти нормальном падении (θ = 8°) в воздухе. Конические наностолбики сильно подавляли отражательную способность передней поверхности в широком диапазоне длин волн благодаря улучшенному согласованию импеданса, возникающему из-за постепенно меняющегося показателя преломления ^26,29,30 . Коэффициент отражения при 500 нм уменьшился с ~ 33% для чистого GaInP ₂ до менее чем ~ 1 % для наноструктурированных (3-минутное травление) образцов (дополнительный рисунок 2). Измеренная отражательная способность (сплошная линия) количественно соответствует расчетным спектрам (пунктирная линия), полученным в результате трехмерного полноволнового численного оптического моделирования на основе метода конечных разностей во временной области (FDTD, Lumerical 9). {678 {\ mathrm {nm}}} \ frac {\ lambda }{{hc}} I_ {1,5 {\ mathrm {G}}} (\ lambda) {\ mathrm {d}} \ lambda}} \ times 100 $$

(1)

где h , c , A (λ) и I _1.5G (λ) — постоянная Планка, скорость света, расчетное поглощение и стандартная солнечная радиация (AM 1,5 G; ASTM G-173), соответственно ^11,29 . Поглощение S _абс черного GaInP ₂ в воде составляет ~92% (для 3-минутного травления образца), что значительно выше максимального поглощения (~72%) голого (т.е. без наностолбиков) GaInP ₂ в воде и может быть непосредственно переведено на повышенную эффективность электрода. Эти градуированные по плотности морфологии и спектры отражения GaInP ₂ , подвергнутого сухому травлению, также сохранились после обработки (NH ₄ ) ₂ S (дополнительный рисунок 4).

Характеристики ФЭП черных фотокатодов GaInP

₂ в HER

Характеристики ФЭП черных фотокатодов GaInP ₂ в реакции выделения водорода (HER) изучались в трехэлектродной конфигурации при моделировании солнечного освещения AM1. 5G ( 1000 Вт м ^-2 ), где Pt и Ag/AgCl использовались в качестве противоэлектрода и электрода сравнения, соответственно, с водным раствором серной кислоты (0,5 M H ₂ SO ₄ ) в качестве электролита (дополнительный рисунок 5) ¹¹ . Все образцы были измерены без (NH ₄ ) ₂ S-обработки. На рисунке 2а показаны зависимости плотности тока ( Дж ) от потенциала ( E ) наноструктурированных фотокатодов GaInP ₂ , приготовленных при различном времени травления, полученные с помощью вольтамперометрии с линейной разверткой от −0,5 до 0,4 В (по сравнению с обратимым водородным электродом). (RHE)), где были нанесены данные первого сканирования (дополнительный рисунок 6). Эффективность ( 9+ /H_2))}}{{P_{{\mathrm{in}}}}} \times 100,$$

(2)

, где J _max и E _max плотность тока и потенциал электрода в точке максимальной мощности, E(H ⁺ /H ₂ ) — термодинамический потенциал HER, а _{6 P — плотность мощности в HER. имитации солнечного освещения AM1.5G ^11,32 . Хотя эта диагностическая эффективность в конфигурации с тремя электродами не полностью отражает эффективность преобразования солнечной энергии в водород (STH) общих реакций расщепления воды, она используется здесь в качестве показателя для количественного сравнения производительности электрода ³² . Как показано в дополнительной таблице 1, начальный потенциал ( В начало ) всех наноструктурированных фотокатодов GaInP 2 анодно (т. уменьшение локальной плотности тока, связанное с увеличением площади поверхности и соответствующим уменьшением перенапряжения ^10,23 . Хотя темновой ток также увеличивается с увеличением площади поверхности, кинетическое преимущество уменьшенной локальной плотности тока доминирует над уменьшением напряжения наноструктурированной поверхности с большим темновым током. Следовательно, как коэффициент заполнения, так и эффективность значительно улучшились в наноструктурированных образцах. С другой стороны, плотность тока насыщения ( J насыщ. ) немного увеличился для образца, протравленного в течение 1 мин, по сравнению с чистым GaInP 2 из-за подавления потерь на отражение, но стал меньше при более длительном времени травления. Это наблюдение указывает на большую степень поверхностной рекомбинации фотогенерированных носителей, вызванную индуцированными плазмой кристаллическими дефектами и окислением наноструктурированной поверхности, что подтверждается сильным ослаблением стационарной фотолюминесценции (ФЛ) с GaInP 2 , полученным сухим травлением ( Рис. 2b, дополнительный рис. 7). Исследования рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) также подтверждают этот анализ. На рис. 2в Ga 2p 9Пики 0015 5/2} с энергиями связи 1118,0 и 1116,7 эВ, наблюдаемые от чистого GaInP ₂ , соответствуют состояниям окисления 3+ для Ga ₂ O ₃ и GaInP ₂ соответственно. Примечательно, что интегральная площадь пика Ga–O, отражающая относительное количество связи Ga–O, существенно увеличилась после сухого травления, что указывает на внедрение атомов кислорода на протравленную поверхность GaInP ₂ и генерацию дефектных состояний в пределах ширина запрещенной зоны, которые могут действовать как центры безызлучательной рекомбинации носителей ^33,34 . При аналогичном происхождении относительное количество пиков P-O (In-O) увеличилось по сравнению с пиками P-Ga (In-P) после формирования наностолбиков путем сухого травления (рис. 2d, дополнительная рис. 8).

Рис. 2

Фотоэлектрохимические характеристики наноструктурированных фотокатодов GaInP ₂ для HER. a Репрезентативные кривые J–E фотокатодов без покрытия и наноструктурированного GaInP ₂ фотокатодов, запускающих реакцию выделения водорода (HER), измеренные при моделировании солнечного освещения AM1,5 G (1000 Вт/м ² ). Все образцы были измерены без (NH ₄ ) ₂ S-обработки. b Соответствующие спектры стационарной фотолюминесценции (ФЛ) голых и наноструктурированных GaInP ₂ фотокатодов. c Спектры XPS Ga 2p _3/2 для чистого и наноструктурированного GaInP ₂ . Измеренные спектры (черная линия) количественно совпали с подобранными спектрами (зеленая пунктирная линия), состоящими из пиков деконволюции Ga-O (синяя линия) и Ga-P (красная линия). d XPS-спектры P 2p _1/2 и 2p _3/2 для чистого и наноструктурированного GaInP ₂ . Подогнанные спектры были подвергнуты деконволюции для разделения пиков P-Ga (красная линия) и P-O (синяя линия)

Изображение в натуральную величину

Влияние (NH

₄ ) ₂ S-обработки на характеристики PEC

To использовать все преимущества черного GaInP ₂ в светопоглощении, поэтому важно решить проблему повышенной рекомбинации носителей, связанную с вызванным травлением окислением поверхности, а также защитить нанопористую морфологию от коррозии. Для этого мы пропитывали наноструктурированный GaInP ₂ в разбавленном растворе сульфида аммония ((NH ₄ ) ₂ S) с последующим термическим отжигом на воздухе (250 °C в течение 1 ч, дополнительный рис. 1) ^35,36 . На рисунке 3a показаны кривые J – E для 4-минутных протравленных фотокатодов GaInP ₂ до и после (NH ₄ ) ₂ S-обработки, построенные с данными для чистого GaInP ₂ в качестве эталона. Для образцов до серной пассивации плотность тока насыщения (~10,9 мА см ⁻² ) наноструктурированного GaInP ₂ было меньше, чем (~13,3 мА см ⁻² ) чистого GaInP ₂ из-за описанной выше безызлучательной рекомбинации носителей заряда. Напротив, J _sat наноструктурированного GaInP ₂ после (NH ₄ ) ₂ S-обработки в течение 3 и 5 мин восстанавливается до ~14,000 мА и ~15 мин. −2 соответственно, что привело к значительному улучшению диагностической эффективности ( η _катод ) более чем на 100% (относительно) по сравнению с необработанными образцами (дополнительная таблица 2). Такое большое усиление J _sat также сопровождалось частичным восстановлением интенсивности ФЛ (дополнительный рис. 9), а также уменьшением площадей связанных с Ga–O, P–O и In–O -связанные пики в спектрах XPS (рис. 3b, c, дополнительная рис. 10), предполагающие, что замещение атомов кислорода серой на поверхности наноструктурированного GaInP ₂ и соответствующее уменьшение дефектных состояний, связанных с оксидом, эффективно снижают степень поверхностной рекомбинации и, таким образом, восстанавливают эффективность переноса заряда на каталитической границе раздела ^35,37 . Наряду с обработкой (NH ₄ ) ₂ S характеристики GaInP ₂ с учетом поверхности могут быть дополнительно улучшены за счет дополнительного нанесения на поверхность электрода материалов с высокой каталитической активностью (т.е. сокатализаторов), таких как как благородные металлы или молекулярные катализаторы. В настоящем исследовании тонкий (~ 10–30  нм, дополнительный рис. 11) слой аморфного дисульфида молибдена (MoS ₂ ) был фотохимически нанесен на наноструктурированный и (NH ₄ ) ₂ S-обработанный GaInP ₂ в качестве сокатализатора HER (дополнительные рисунки 12 и 13). Как и ожидалось, сокатализатор MoS ₂ заметно улучшил каталитические характеристики GaInP ₂ с адаптированной поверхностью в HER, со значительным улучшением как начального потенциала, так и коэффициента заполнения, что привело к существенному увеличению эффективности примерно на 20 раз по сравнению с голым электродом (дополнительная таблица 3).

Рис. 3

Фотоэлектрохимические характеристики наноструктурированных и (NH ₄ ) ₂ S-обработанных GaInP ₂ фотокатодов для HER. a Репрезентативный J-E кривые голого и наноструктурированного GaInP ₂ фотокатодов для HER после (NH ₄ ) ₂ S-обработки 3 и 5 мин, измерено при моделировании солнечного освещения AM1,5 G 1000 Вт/м ² ). Спектры XPS b Ga 2p _3/2 и c P 2p _1/2 и 2P _3/2 для наноструктурированного GaInP ₂ до и после (NH ₄ ) ₂ S-обработка (1500016) полноразмерное изображение 90 013 мин

Электрохимическая стабильность GaInP с адаптированной поверхностью

₂

Долговременное сохранение внутренних свойств материалов и каталитических характеристик полупроводниковых фотоэлектродов является одним из наиболее важных требований для их практического применения для расщепления солнечной воды. Тем не менее, составные полупроводники AIIIBV, включая GaInP ₂ страдают внутренней термодинамической нестабильностью и быстро разъедают в широком диапазоне рН под действием потенциала реакций расщепления воды, что приводит к быстрой деградации функциональности электрода с непрактично коротким сроком службы ^6,14,15,38 . В этом отношении сообщаемая стратегия адаптации поверхности обеспечивает потенциальный путь значительного повышения долговечности фотоэлектродов III-V. На рис. 4а, б показана плотность тока фотокатодов GaInP ₂ в зависимости от времени для различных конфигураций материалов, включая голый GaInP 9.0015 2 (т.е. с непротравленной и необработанной поверхностью), GaInP без покрытия ₂ с нанесенным MoS ₂ сокатализатор (но без (NH ₄ ) ₂ S-обработки), наноструктурированный GaInP _{2 (NH 4 ) 2 обработка S (пока без обработки MoS 2 ) и наноструктурированный GaInP 2 с MoS 2 — обработка (пока без обработки (NH 4 1 ) ), измеренный при электродном потенциале 0 В (относительно RHE) в кислом электролите (0,5 M H 2 SO 4 ) при моделировании солнечного освещения AM1,5 G. Сухое травление и (NH 4 ) 2 S-обработку проводили в течение 4 мин и 15 мин соответственно. При кратковременных измерениях (т.е. до ~60 мин, рис. 4а) все протестированные образцы показали почти постоянную плотность тока, за исключением чистого GaInP 2 , где быстрая деградация J с неизолированными электродами (черные данные) объясняется катодным сдвигом кривой JE , возникающим из-за образования поверхностного оксида в воде, который постепенно выходит на плато из-за самоограничивающегося характера влажного окисления ²⁸ . Неизолированный электрод с покрытием MoS 2 (красные данные) показал сравнительно стабильные характеристики благодаря временному предотвращению окисления поверхности слоем MoS 2 . Примечательно, что наноструктурированный GaInP 2 после обработки (NH 4 ) 2 S (синие данные) оставался стабильным даже без помощи дополнительных защитных материалов. Чрезвычайная долговечность была более явно выражена при длительных измерениях, как показано на рис. 4b. Плотность тока наноструктурированного GaInP 2 с (NH 4 ) 2 S-обработка (синие данные) сохранялась практически неизменной ( ΔJ  < ~2%) в течение более ~124 часов, при этом измерение было прекращено без наблюдения деградации электрода производительность. Также примечательно, что начальный потенциал постоянно улучшался во время теста на стабильность (дополнительные рисунки 14–16), что может быть связано с несколькими факторами, включая активацию каталитических центров сульфурированного GaInP 2 , а также повышенное фотонапряжение и заряд. эффективность переноса, причем все это происходит при удалении оксидов и/или углеродсодержащих частиц, которые нестабильны в HER (дополнительное примечание 1, дополнительные рисунки 17 и 18). Напротив, неизолированные электроды как с (красные данные), так и без MoS 2 (черные данные) быстро разлагались на ранней стадии (<3 часов) измерения. В случае наноструктурированного GaInP 2 с MoS 2 , но без (NH 4 ) 2 S-обработки (зеленые данные), по-прежнему отмечалась значительная деградация из-за расслаивания или растворения MoS 2 во время ЕЕ. В соответствии с этими наблюдениями морфология поверхности наноструктурированного и (NH 4 ) 2 S-обработанного GaInP 9 в зависимости от плотности0015 2 практически не изменился после хроноамперометрического исследования (рис. 4б), о чем свидетельствуют СЭМ-изображения (рис. 4в), а также сохранение черного цвета и низкой отражательной способности (рис. 4г). Для неизолированных электродов, напротив, значительная степень коррозии уже развивалась сразу после ~2,5-часового измерения, когда на поверхности электрода появлялись частицы размером от нескольких микрон до десятков нанометров, как сообщалось в предыдущей литературе ^39,40 .}

Рис. 4

Электрохимическая стойкость GaInP ₂ фотокатодов с адаптированной поверхностью, выполняющих HER под смещением. График зависимости плотности тока от времени ( Дж – т ) фотокатодов GaInP ₂ в кислом электролите (0,5 M H ₂ SO ₄ ) для a кратковременных и b при длительных измерениях различные конфигурации материалов, включая чистый GaInP ₂ (черные данные), чистый GaInP ₂ , осажденный с MoS ₂ (но без (NH ₄ ) ₂ S-обработка, красные данные), наноструктурированный GaInP ₂ с (NH ₄ ) ₂ S-обработка (еще без MoS ₂ — осаждение, синие данные) и наноструктурированный GaInP ₂ с MoS ₂ (пока без обработки (NH ₄ ) ₂ S, зеленые данные), измерено при электродном потенциале 0 В (относительно RHE) при моделировании солнечного освещения AM1,5 G. Сухое травление и (NH ₄ ) ₂ S-обработку проводили в течение 4 мин и 15 мин соответственно. c СЭМ-изображения сверху и наноструктурированные/(NH ₄ ) ₂ GaInP, обработанные серой ₂ (масштабная линейка: 500 нм) до и после испытания стабильности в b (т. е. ~ 1 ч для без покрытия, ~124 ч для NS). d Спектры отражения наноструктурированных и (NH ₄ ) ₂ S-обработанных фотокатодов GaInP ₂ до и после испытания на стабильность в b . На вставках показаны соответствующие фотографические изображения образцов (масштабная линейка: 5 мм). e XPS-спектры чистого GaInP ₂ до и после (NH ₄ ) ₂ S-обработки. f J-t графики чистого и наноструктурированного GaInP ₂ фотокатоды с и без (NH ₄ ) ₂ S-обработка, полученные при тех же условиях измерения, что и в a 4 _{9 изображение в натуральную величину Чтобы дополнительно выяснить синергетический вклад (NH 4 ) 2 S-обработки и нанопористой морфологии поверхности в необычайное улучшение коррозионной стойкости, мы исследовали эволюцию атомного состава поверхности в чистом GaInP 9.0015 2} методом РФЭС до и после (NH ₄ ) ₂ S-обработки (рис. 4e), а также с термическим отжигом и без него во время (NH ₄ ) ₂ S-обработки ( Дополнительный рис. 19). Следует отметить, что (NH ₄ ) ₂ S-обработанный необработанный GaInP ₂ , который показал стабильные характеристики, имеет пики, соответствующие группе сульфатов (SO ₄ ²⁻ ) (нижние спектры на рис. 4e ), который был введен при термическом отжиге в (NH ₄ ) ₂ S-обработка ^8,9 (дополнительный рисунок 19). Однако такие сигналы, связанные с сульфатом (SO ₄ ²⁻ ) и сульфидом (S ^2- ), полностью отсутствуют в необработанном чистом GaInP ₂ (верхние спектры на рис. 4e), который деградировал. быстро. Таким образом, можно сделать вывод, что сульфатная группа на сульфурированной поверхности GaInP ₂ сыграла ключевую роль в значительном увеличении долговечности. С другой стороны, (NH ₄ ) ₂ Необработанный GaInP, обработанный S ₂ (т. е. без поверхностной наноструктуры, данные голубого цвета на рис. 4f), не показал долговременной долговечности, сравнимой с (NH ₄ ) ₂ S-обработанным и наноструктурированный GaInP ₂ (синие данные на рис. 4f), хотя он все же был более стабильным, чем необработанный оголенный электрод (черные данные на рис. 4f), что позволяет предположить, что синергетическое взаимодействие между наноструктурной морфологией для увеличения площади поверхности и ограничить развитие коррозионной области, а включение сульфидной/сульфатной группы для придания улучшенной коррозионной стойкости в совокупности отвечает за подавление кинетики коррозии и обеспечивает значительно более длительный срок службы, наблюдаемый в этом исследовании, по сравнению с предыдущими работами (дополнительная таблица 4).

Обсуждение

Изменение морфологии поверхности, наблюдаемое после теста на стабильность с наноструктурированным (NH ₄ ) ₂ S-обработанным GaInP ₂ , может быть связано с десорбцией и повторной адсорбцией Ga, In, P , или атомы S на каталитической границе раздела, посредством либо фарадеевских, либо нефарадеевских процессов, причем последние не зависят от реакций коррозии, которые были бы паразитными для фототока. Фарадеевская эффективность H ₂ измерена на чистом GaInP ₂ без и с (NH ₄ ) ₂ S-обработка составляют ~ 80 и ~ 91% (дополнительная таблица 5, дополнительный рисунок 20) соответственно, возможно, из-за наблюдаемого вклада коррозии в фототок. на рис. 4f. Как и ожидалось, фарадеевская эффективность обработанного (NH ₄ ) ₂ GaInP ₂ выше, чем у необработанного GaInP ₂ из-за комбинированного эффекта пассивации поверхности и подавления коррозии на сульфурированной реакционной поверхности. Тем не менее, нанопористая морфология была сохранена таким образом, что уровни отражения и поглощения света и, следовательно, фототока были аналогичны тем, которые были получены до испытания на стабильность. Учитывая, что разложение (NH ₄ ) ₂ S-обработанный необработанный GaInP ₂ также сопровождался постепенным уменьшением сульфатной группы на поверхности электрода, о чем свидетельствуют спектры XPS (дополнительный рисунок 21), мы постулируем, что скорость электрохимического растворения сульфата группа существенно снижена за счет нанопористой морфологии из-за пониженной скорости локального переноса заряда, связанного с увеличенной площадью поверхности. В то время как наноструктурированный GaInP ₂ без (NH ₄ ) ₂ S-обработка (оранжевые данные на рис. 4f) продемонстрировала повышенную долговечность по сравнению с необработанным оголенным электродом, он также неуклонно деградировал со скоростью, намного превышающей наноструктурированный и (NH ₄ ) ₂ S-обработанный GaInP ₂ , подтверждая важность совместного вклада морфологии нанопористой поверхности и стехиометрии коррозионно-стойкой поверхности.

Таким образом, мы продемонстрировали подход, который может одновременно улучшить поглощение света, каталитическую эффективность и долговечность GaInP 9.0015 2 фотокатоды в HER расщепления солнечной воды путем совместного использования коррозионно-стойкой стехиометрии поверхности и структурно адаптированного реактивного интерфейса. Было показано, что обработка серой эффективна для пассивации поверхностных состояний и подавления поверхностной рекомбинации в широком диапазоне полупроводниковых материалов ^37,41,42 . Поэтому мы ожидаем, что наш подход, использующий синергетический эффект поверхностной наноструктуры и коррозионно-стойкой стехиометрии поверхности, будет широко применим к различным полупроводниковым фотоэлектродам (например, III-V, III-N) и электрохимическим реакциям (например, реакции выделения кислорода (OER), СО ₂ сокращение), которые могут выиграть от одновременного улучшения светопоглощения, каталитической эффективности и коррозионной стойкости, не полагаясь исключительно на разработку новых защитных материалов, тем самым предлагая практические пути к высокоэффективному и долговечному расщеплению солнечной воды PEC.

Методы

Изготовление GaInP с адаптированной поверхностью

₂ фотокатодов

A GaInP p-типа толщиной 2,5 мкм ₂ (легированный цинком, 2 × 10 _{170006   см ^-3 ) был эпитаксиально выращен на подложке GaAs (100), смещенной на 2 ° по отношению к (110) при 700   ° C с помощью газофазной эпитаксии металлов и органических соединений при атмосферном давлении (MOVPE). ЭП-пластина GaInP 2 в состоянии поставки была очищена ацетоном, изопропиловым спиртом (IPA) и деионизированной (DI) водой с последующим удалением природных оксидов в разбавленном растворе NH 4 OH (NH 4 ). OH (29%, EMD):DI вода = 1:10, по объему, 2 мин) и раствор хлорной кислоты (CR-7, КМГ, 30 с). Наночастицы серебра были нанесены методом неэлектрического осаждения на GaInP 9.0015 2} в водном растворе нитрита серебра (AgNO ₃ , 10 мМ) и плавиковой кислоты (HF, 5 М). Наноструктурированные фотокатоды GaInP ₂ были сформированы реактивным ионным травлением с индуктивно связанной плазмой (ICP-RIE, STS) (BCl ₃ :N ₂ (1,5:9 в см3/мин), 5 мТорр, 100 Вт/500 Вт, 100 °C) с использованием наночастиц серебра в качестве травильной маски. Затем остаточное серебро удаляли влажным химическим травителем (NH ₄ OH:H ₂ O ₂ :DI вода = 1:1:1, по объему). После (NH ₄ ) ₂ S-обработка и/или MoS ₂ — осаждение, как подробно описано далее, медная проволока была соединена с использованием серебряной пасты на обратной стороне пластины с последующей инкапсуляцией боковых стенок с использованием термического отвержденная эпоксидная смола (Loctite® 9462) для производства полностью функциональных фотокатодов.

Измерения ПЭК

Все измерения ПЭК проводились в водном растворе (0,5 M, pH: ~0,3–0,35) серной кислоты (H ₂ SO ₄ , EMD Chemicals, класс ACS, 95–98%) при смоделированном стандартном солнечном освещении AM 1,5 G (1000 Вт/м ² ) на полном спектральном солнечном симуляторе (94042 A, Oriel) при температуре окружающей среды (20 °C). Интенсивность солнечного симулятора в одно солнце была откалибрована с использованием сертифицированной эталонной ячейки ( В, Ньюпорт). Раствор электролита продували N ₂ в течение 15 мин перед каждым измерением ФЭП. Данные вольтамперометрии с линейной разверткой собирали с помощью потенциостата (Reference 600, Gamry) в трехэлектродной конфигурации с Ag/AgCl (3 M NaCl, RE-5B, Bioanalytical Systems) и платиной (MW-1032, Bioanalytical Systems) в качестве эталона и противоэлектроды, соответственно, где потенциал рабочего электрода сканировался от –0,8 В до 0,04 В относительно Ag/AgCl (от –0,57 В до 0,27 В относительно RHE) для голого GaInP ₂ , от -0,8 В до 0,14 В относительно Ag/AgCl (от -0,57 до ~ 0,37 В относительно RHE) для наноструктурированного GaInP ₂ и от -0,8 В до ~ 0,4 В относительно Ag/AgCl (- от 0,57   В до ~ 0,63   В по сравнению с RHE) для MoS ₂ , осажденного GaInP ₂ , соответственно, при скорости сканирования 20 мВ/с с размером шага 5 мВ. Обратите внимание, что развертка потенциала проводилась от отрицательного к положительному потенциалу, чтобы избежать переоценки характеристик электрода (дополнительный рисунок 5). Небольшое количество поверхностно-активного вещества (Triton X-100, SPI Supplies) добавлялось в электролит для облегчения выхода образовавшихся пузырьков водорода с поверхности электрода. Для преобразования потенциала электрода из Ag/AgCl в обратимый водородный электрод (ОВЭ) была проведена вольтамперометрия с линейной разверткой с использованием платинового электрода (MF-2013, Bioanalytical Systems) в качестве катода для экспериментального определения начального потенциала выделения водорода. . Плотность тока ( J ) оценивали на основе измеренной площади освещенной поверхности электрода (дополнительное примечание 2). Для рис. 2а, 3а, 4а, б, е приведены репрезентативные данные из двух или трех серий экспериментов.

(NH

₄ ) ₂ S-обработка

Для адаптации атомного состава поверхности GaInP ₂ предварительно нагретый (NH ₄ ) 0,77 M, приготовленный путем добавления 34 мл деионизированной воды или изопропанола к 10 мл свежеприготовленного (NH ₄ ) ₂ Раствор S (Macron, 20,0–24,0 % масс. в H ₂ O)) наносили на поверхность чистого или наноструктурированного GaInP ₂ , помещенного на горячую плиту (~85 °C) в течение 3–5 мин (для образцов на рис. 3а). Время обработки образцов на рис. 3б, в и 4 составляло 15 мин. В дальнейшем образцы сушили под N ₂ с последующим термическим отжигом при 250°С на воздухе в течение 1 ч.

MoS

₂ — отложение

Для MoS ₂ — отложение, GaInP ₂ погружали в водный раствор (NH ₄ ) ₂ MoS ₄ (1 мМ, Sigma Aldrich) и 0,5 М Na ₂ SO ₄ .6 под светлым белым буфером (p .6) (LED-6WD, AmScope) освещение (~20 мВт/см ² ) в течение 5 мин при разомкнутой цепи с последующей промывкой деионизированной водой и сушкой под N ₂ . После фотохимического осаждения образец подвергали термическому отжигу при 250°С в атмосфере N ₂ в течение 1 ч. В качестве альтернативы МоС ₂ также был нанесен электрохимически путем сканирования 8–10 циклов потенциала между −0,4 и +0,15 В относительно Ag/AgCl (т. е. один цикл: −0,4 В → +0,15 В → –0,4 В) с использованием тех же реагентов. как при фотохимическом осаждении в темноте.

Измерение отражения

Спектры отражения фотокатодов GaInP ₂ (рис. 1d) были записаны с использованием спектроскопии UV-Vis-NIR (Lamda 950, Perkin-Elmer) при падении, близком к нормальному ( θ  = 8°) в воздух, измеренный на спектрофотометре, оснащенном интегрирующей сферой, с использованием Spectralon® в качестве эталона 100% отражения. Для данных на рис. 4d спектры отражения были записаны с использованием самодельной оптической установки, состоящей из источника белого света (HL-2000, Ocean Optics) и оптоволоконного спектрометра (Flame-T-VIS-NIR, «Океанская оптика»). Свет источника коллимировался ахроматической дублетной линзой ( f  = 19 мм, N.A. = 0,42), а затем сфокусировали на области клетки (диаметр луча = ~50 мкм) через объектив (×20, N.A. = 0,4). Отраженный свет собирался тем же объективом и подавался на спектрометр по многомодовому волокну. Серебряное зеркало, нанесенное на плавленый кварц (PF10-03-P01, Thorlabs), использовалось в качестве 100% калибровочного стандарта.

Измерение фотолюминесценции

Спектры фотолюминесценции (ФЛ) чистого и наноструктурированного GaInP ₂ образцов были измерены с использованием рамановского микроскопа (XploRA ^TM , HORIBA Jobin Yvon Inc.) с объективом ×100 (ЧА: 0,90), где лазер с длиной волны 532 нм был сфокусирован на поверхности образца с диаметром луча ~1 мкм.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS)

XPS была выполнена на Kratos Axis Ultra DLD, где фотоэлектроны генерировались монохроматическим рентгеновским излучением Al Kα при 1486,7 эВ при базовом давлении 4 × 10 ⁻⁸ торр. Энергии связи были откалиброваны по пику C 1 s при 284,8 эВ. Аппроксимацию XPS-спектров линейным методом наименьших квадратов проводили с использованием программного обеспечения CasaXPS (Casa Software Ltd.) с использованием свертки гауссовой (70%) и лоренцевской (30%) формы линий. Положения пиков и относительные соотношения интенсивностей практически идентичны между голыми и наноструктурированными образцами в настоящих экспериментальных условиях (дополнительный рисунок 22).

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) и эллипсометрия

Толщина MoS ₂ была измерена с помощью атомно-силового микроскопа постукивающего режима (АСМ, Dimensional 3100, Digital Instrument). Показатель преломления ( n ) и коэффициент экстинкции ( k ) GaInP ₂ измеряли с помощью спектроскопической эллипсометрии (VASE® Ellipsometer, J.A.Woollam).

Численное оптическое моделирование

Спектры отражения и поглощения наноструктурированного GaInP ₂ фотокатодов были численно смоделированы методом конечных разностей во временной области (FDTD). Чтобы создать модель наноструктурированной поверхности, СЭМ-микрофотографии сверху (~1,2 × 0,9 мкм ² ) сухого травления GaInP ₂ при различном времени травления были импортированы в программное обеспечение для 3D-моделирования (Rhinoceros®), где поперечные профили наностолбиков были скорректированы так, чтобы они точно соответствовали наблюдаемым экспериментально. Созданная наноструктурированная поверхность была затем импортирована в программное обеспечение FDTD (FDTD Solutions, Lumerical 9).0005 ТМ ). Для расчета при нормальном падении объем трехмерного моделирования был ограничен периодическими граничными условиями для направлений x и y , а также граничным условием идеально согласованных слоев (PML) для направления z , где В качестве источника света принималась непрерывная плоская волна с широким гауссовским частотным спектром (270–750 ТГц или 400–1100 нм).

Измерение фарадеевского КПД

Газы водорода и кислорода собирали волюмометрически с помощью прибора типа Хоффмана из чистого GaInP ₂ фотокатоды с и без (NH ₄ ) ₂ S-обработка. Фотокатоды работали при 0 В относительно RHE с использованием Pt и Hg/Hg ₂ SO ₄ (MSE) в качестве противоэлектрода и электрода сравнения соответственно в 0,5 M серной кислоте, освещенной вольфрамово-галогенной лампой с калиброванным водяным фильтром. -}}{{9- }}} \right)}},\end{array}$$

(3)

где \(P_{H_2}\) — давление выделяющегося газообразного водорода, V — объем, R — газовая постоянная (62363 мл·торр·K ⁻¹ ·моль ⁻¹ ), а T — температура (292,59 K). Более подробные процедуры измерения фарадеевского КПД можно найти в другом месте ⁵ .

Сводка отчета

Дополнительная информация о дизайне исследования доступна в Сводке отчета по исследованиям природы, связанной с этой статьей.

Ссылки

1. Yang, Y. et al. Динамика межфазных носителей полупроводников с помощью фотоиндуцированных электрических полей. Наука 350 , 1061–1065 (2015).

   ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

2. Fujishima, A. & Honda, K. Электрохимический фотолиз воды на полупроводниковом электроде. Природа 238 , 37–38 (1972).

   ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

3. Kenney, M.J. et al. Высокоэффективные кремниевые фотоаноды, пассивированные сверхтонкими никелевыми пленками для окисления воды. Наука 342 , 836–840 (2013).

   ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

4. Хаселев О. и Тернер Дж. А. Монолитное фотогальваническое фотоэлектрохимическое устройство для производства водорода путем расщепления воды. Наука 280 , 425–427 (1998).

   ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

5. Young, J. L. et al. Прямое преобразование солнечной энергии в водород с помощью перевернутой метаморфической многопереходной полупроводниковой архитектуры. Нац. Энергия 2 , 17028 (2017).

   ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

6. Ху, С. и др. Аморфные покрытия TiO2 стабилизируют фотоаноды Si, GaAs и GaP для эффективного окисления воды. Наука 344 , 1005–1009 (2014).

   ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

7. Лин Ю. и др. Роль пассивации поверхности TiO2 в улучшении характеристик p-InP фотокатодов. J. Phys. хим. C. 119 , 2308–2313 (2015).

   КАС Статья Google ученый

8. Гу, Дж. и др. Градиентный каталитически-защитный слой для эффективного и стабильного водорасщепляющего фотокатода. Нац. Энергия 2 , 16192 (2017).

   ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

9. Кинг, Л. А., Хеллстерн, Т. Р., Парк, Дж., Синклер, Р. и Джарамилло, Т. Ф. Высокостабильные кремниевые фотокатоды, защищенные дисульфидом молибдена, для фотоэлектрохимического разделения воды. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 9 , 36792–36798 (2017 г.).

   КАС Статья Google ученый

10. Lee, M.H. et al. Наностолбчатые фотокатоды p-типа InP для эффективного производства водорода с использованием солнечной энергии. Анжю. хим. 124 , 10918–10922 (2012).

    Артикул Google ученый

11. Канг Д. и др. Печатные сборки фотоэлектродов GaAs с развязанными оптическим и реактивным интерфейсами для самостоятельного разделения солнечной воды. Нац. Энергия 2 , 17043 (2017).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

12. Гу, Дж. и др. Восстановление воды фотоэлектродом p-GaInP2, стабилизированным аморфным покрытием TiO2 и молекулярным кобальтовым катализатором. Нац. Матер. 15 , 456–460 (2016).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

13. Britto, R. J. et al. Дисульфид молибдена в качестве защитного слоя и катализатора для солнечных фотокатодов, разделяющих воду из фосфида галлия и индия. J. Phys. хим. лат. 7 , 2044–2049 (2016).

    КАС Статья Google ученый

14. Pourbaix, M. Атлас электрохимических равновесий в водных растворах . (Национальная ассоциация инженеров по коррозии, 1974 г.).

15. Парк, С.-М. и Барбер М.Э. Термодинамическая стабильность полупроводниковых электродов. Дж. Электроанал. хим. Межфазная электрохимия. 99 , 67–75 (1979).

    КАС Статья Google ученый

16. «>

    Walter, M.G. et al. Солнечные водораздельные элементы. Хим. Ред. 110 , 6446–6473 (2010).

    КАС Статья Google ученый

17. Тернер, Дж. и др. Возобновляемое производство водорода. Междунар. J. Energy Res 32 , 379–407 (2008).

    КАС Статья Google ученый

18. Montoya, J.H. et al. Материалы для солнечного топлива и химикатов. Нац. Матер. 16 , 70–81 (2017).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

19. Chen, X.B., Shen, S.H., Guo, L.J. & Mao, S.S. Фотокаталитическое производство водорода на основе полупроводников. Хим. Ред. 110 , 6503–6570 (2010 г.).

    КАС Статья Google ученый

20. Парк, Дж. Х., Ким, С. и Бард, А. Дж. Новые массивы нанотрубок TiO2, легированных углеродом, с высоким соотношением сторон для эффективного разделения солнечной воды. Нано Летт. 6 , 24–28 (2006).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

21. Ван, Х., Дойч, Т. и Тернер, Дж. А. Прямое разделение воды в видимом свете с помощью наноструктурированного гематита и фотоанодов WO3 и фотокатода GaInP2. Дж. Электрохим. соц. 155 , F91–F96 (2008 г.).

    КАС Статья Google ученый

22. Тилли, С. Д., Корнуз, М., Сивула, К. и Гретцель, М. Световое расщепление воды гематитом: улучшенная наноструктура и катализ оксида иридия. Анжю. хим. 122 , 6549–6552 (2010).

    Артикул Google ученый

23. О, Дж., Дойч, Т. Г., Юань, Х. -К. & Branz, HM. Фотокатод из нанопористого черного кремния для производства h3 путем фотоэлектрохимического разделения воды. Энергетика Окружающая среда. науч. 4 , 1690–1694 (2011).

    КАС Статья Google ученый

24. Эссиг, С. и др. Повышение эффективности преобразования одного солнца солнечных элементов III–V/Si до 32,8% для двух переходов и 35,9% для трех переходов. Нац. Энергия 2 , 17144 (2017).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

25. Сайед, С. Ю., Дейли, Б. и Буриак, Дж. М. Характеристика интерфейса золотых и серебряных наноструктур на InP и GaAs, синтезированных методом гальванического смещения. J. Phys. хим. C. 112 , 12291–12298 (2008).

    КАС Статья Google ученый

26. Чан, Л. и др. Широкополосное усиление антиотражения и поглощения сверхтонких кремниевых солнечных микроэлементов благодаря поверхностным наноструктурам с регулируемой плотностью. Заяв. физ. лат. 104 , 223905 (2014).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

27. Хуан Ю.-Ф. и другие. Улучшенные широкополосные и квази-всенаправленные антиотражающие свойства с биомиметическими кремниевыми наноструктурами. Нац. нанотехнологии. 2 , 770 (2007 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

28. Шен, Л. и др. Наноструктурированные кремниевые фотокатоды для расщепления солнечной воды по образцу самосборки ламеллярных блок-сополимеров. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 7 , 26043–26049 (2015 г.).

    КАС Статья Google ученый

29. «>

    Lee, S.M. et al. Высокоэффективные сверхтонкие солнечные элементы на основе газа на основе гетерогенно интегрированных диэлектрических периодических наноструктур. ACS Nano 9 , 10356–10365 (2015).

    КАС Статья Google ученый

30. Lee, S.M. et al. Наноструктурированные кремниевые солнечные элементы, пригодные для печати, для высокопроизводительных гибких фотоэлектрических элементов большой площади. ACS Nano 8 , 10507–10516 (2014).

    КАС Статья Google ученый

31. Lee, S.M. et al. Высокопроизводительные гибкие солнечные модули на основе наноструктурированного кремния с плазмонной конверсионной средой. Доп. Энергия Матер. 5 , 1500761 (2015).

    Артикул Google ученый

32. Чен З. и др. Ускорение разработки материалов для фотоэлектрохимического производства водорода: стандарты для методов, определений и протоколов отчетности. Дж. Матер. Рез. 25 , 3–16 (2011).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

33. Дин, П. Дж., Генри, С. Х. и Фрош, С. Дж. Инфракрасные донорно-акцепторные спектры с участием глубокого донора кислорода в фосфиде галлия. Физ. Ред. 168 , 812–816 (1968).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

34. Шуберт, Э. Ф. Легирование в III-V полупроводниках . (Издательство Кембриджского университета, 1993).

35. Цай, К.-Д. и Ли, К.-Т. Анализ механизма пассивации поверхностей InGaP, пассивированных серой, с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. J. Appl. физ. 87 , 4230–4233 (2000).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

36. «>

    Таджик Н., Хаапамаки С. М. и Лапьер Р. Р. Модель фотолюминесценции пассивированных серой нанопроволок p-InP. Нанотехнологии 23 , 315703 (2012).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

37. Бессолов В. Н., Лебедев М. В. Халькогенидная пассивация поверхностей полупроводников AIIIBV. Полупроводники 32 , 1141–1156 (1998).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ Статья Google ученый

38. Янг, Дж. Л., Штайрер, К. Х., Дзара, М. Дж., Тернер, Дж. А. и Дойч, Т. Г. Замечательная стабильность немодифицированных фотокатодов GaAs во время выделения водорода в кислом электролите. Дж. Матер. хим. А 4 , 2831–2836 (2016).

    КАС Статья Google ученый

39. Wang, H. & Turner, J. Стабильность GaInP2 в растворе H3SO4 для фотоэлектрохимического разделения воды. ECS Транс. 2 , 125–133 (2007).

    Артикул Google ученый

40. Ван, Х., Дойч, Т., Уэлч, А. и Тернер, Дж. А. Стабильность освещенного полупроводникового фотоэлектрода p-GaInP2. Междунар. Дж. Гидрог. Энергия 37 , 14009–14014 (2012).

    КАС Статья Google ученый

41. Ли, К.-Т., Лан, М.-Х. и Цай, К.-Д. Улучшенные характеристики контакта Шоттки InGaP с металлами Ti/Pt/Au и фотодетекторами MSM за счет обработки (Nh5)2Sx. Твердотельный электрон. 41 , 1715–1719 (1997).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

42. Варадхан, П. и др. Поверхностная пассивация нанопроволок GaN для улучшенного фотоэлектрохимического разделения воды. Нано Летт. 17 , 1520–1528 (2017).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Статья Google ученый

Скачать ссылки

Фотоэлектрохимическое производство водорода из нейтрального фосфатного буфера и морской воды с использованием микроструктурированных p-Si фотоэлектродов, функционализированных растворными методами

Фотоэлектрохимическое производство водорода из нейтрального фосфатного буфера и морской воды с использованием микроструктурированных p-Si фотоэлектродов, функционализированных растворными методами†

Анураг Кавде, ^ab Алагаппан Аннамалай, ^c Люсия Амидани, ^б Мануэль Бониоло, ^д Вай Линг Квонг, ^д Анита Зельштедт, ^и Питер Глатцель, ^б Томас Вогберг ^c а также Йоханнес Мессингер * ^{объявление}

Принадлежности автора

* Соответствующие авторы

^и Университет Умео, химический факультет, Швеция
Электронная почта: johannes. [email protected]

^б Европейский центр синхротронного излучения (ESRF), Гренобль, Франция

^с Университет Умео, факультет физики, Швеция

^д Молекулярная биомиметика, Химический факультет – Лаборатория Ангстрема, Упсальский университет, Швеция

^и Университет Умео, кафедра физиологии растений, Центр изучения растений Умео (UPSC), Умео, Швеция

Аннотация

9Ожидается, что 1457 солнечное топливо, такое как H ₂ , полученное из солнечного света и морской воды с использованием земных материалов, станет важным компонентом возобновляемой энергетики следующего поколения. Здесь мы сообщаем о систематическом анализе фотоэлектрохимических характеристик микроструктурированных p-Si фотоэлектродов с покрытием TiO ₂ (p-Si/TiO ₂ ), которые были функционализированы CoO _x и NiO _x для H ₂ поколения. Эти фотокатоды были синтезированы из коммерческих пластин p-Si с использованием мокрых химических методов. В нейтральном фосфатном буфере и стандартном солнечном освещении 1 фотоэлектрод p-Si/TiO ₂ /NiO _x показал плотность фототока -1,48 мА см ^{-2 6 при нулевом смещении ( 0 V _RHE ), что в три раза и в 15 раз лучше плотности фототока p-Si/TiO ₂ /CoO _x и p-Si/TiO ₂ соответственно. Никакого снижения активности не наблюдалось в течение пятичасового периода испытаний, что дало фарадеевскую эффективность 96% для продукции H ₂ . На основании электрохимических характеристик и флуоресценции с высоким энергетическим разрешением обнаружена рентгеновская абсорбционная структура вблизи края (HERFD-XANES) и измерения эмиссионной спектроскопии, выполненные на Ti Kα ₁ Линия флуоресценции, превосходная производительность P-SI /TIO ₂ /NIO _x Фотоэлектрод был приписывал для улучшения переноса заряда}

^{414915 _{5 5 5 5 5 5 15 5 15 15 15 49115 15 15 5 15}} . покрытие на защитном слое TiO ₂ в сочетании с более высокой каталитической активностью NiO _x для H ₂ -эволюция. Кроме того, мы сообщаем здесь о превосходных фотоэлектрохимических характеристиках p-Si/TiO 9 .1458 ₂ /NiO _x photoelectrode in corrosive artificial seawater (pH 8. 4) with an unprecedented photocurrent density of 10 mA cm ⁻² at an applied potential of −0.7 V _RHE и 20 мА см ⁻² при −0,9 В _RHE . Эффективность преобразования фотона в ток при приложении смещения (ABPE) при −0,7 В _RHE и 10 мА·см ⁻² оказалось 5,1%.

• Эта статья входит в тематические подборки: 3-я Международная конференция по солнечному топливу и Международная конференция по искусственному фотосинтезу и искусственному фотосинтезу — от солнечного света к топливу и ценным продуктам для устойчивого будущего

Рассмотрим стабильность фотоэлектродов

Ассоциация немецких исследовательских центров им. Гельмгольца

Масштабируемый фотоанод BiVO ₄ большой площади на FTO с никелевыми токосъемниками. 1 кредит

Водород — универсальное топливо, способное накапливать и при необходимости выделять химическую энергию. Водород можно производить экологически нейтральным способом путем электролитического расщепления воды на водород и кислород с использованием солнечной энергии. Это может быть достигнуто фотоэлектрохимически (ФЭХ), и для этого подхода необходимо иметь недорогие фотоэлектроды, которые обеспечивают определенное фотонапряжение при освещении и остаются стабильными в водных электролитах.

Однако здесь кроется главное препятствие; обычные полупроводники очень быстро подвергаются коррозии в воде. Тонкие пленки оксида металла гораздо более стабильны, но со временем все же подвергаются коррозии. Одним из наиболее удачных фотоанодных материалов является ванадат висмута (BiVO ₄ ), сложный оксид металла, в котором фототоки уже близки к теоретическому пределу. Но самая большая проблема для коммерчески жизнеспособного расщепления воды PEC в настоящее время заключается в оценке и повышении стабильности материалов фотоэлектродов во время их работы PEC.

С этой целью команда Института солнечного топлива HZB под руководством профессора Роэля ван де Крола (HZB) вместе с группами из Института исследований железа Макса Планка, Института возобновляемых источников энергии Гельмгольца в Эрлангене-Нюрнберге, Университета Фрайбурга и Имперского колледжа Лондона использовали ряд современных методов характеризации для понимания процессов коррозии высококачественных фотоэлектродов BiVO ₄ .

«До сих пор мы могли исследовать фотоэлектроды только до и после фотоэлектрохимической коррозии», — говорит доктор Ибби Ахмет, который инициировал исследование вместе с Сиюань Чжан из Института Макса Планка. «Это было похоже на чтение только первой и последней глав книги и незнание того, как умерли все персонажи». В качестве первого шага для решения этой проблемы химик предоставил серию высокочистых BiVO 9.0015 4 тонких пленок, которые исследовали в проточной ячейке новой конструкции с различными электролитами при стандартном освещении.

Результатом является первое исследование стабильности работы высокочистых фотоанодов BiVO ₄ во время фотоэлектрохимической реакции выделения кислорода (OER). Используя масс-спектрометрию плазмы in-situ (ICPMS), они смогли определить, какие элементы были растворены с поверхности фотоанодов BiVO4 во время фотоэлектрохимической реакции в режиме реального времени.

«Из этих измерений мы смогли определить полезный параметр — число стабильности (S)», — говорит Ибби. Это число стабильности рассчитывается из отношения между произведенными молекулами O ₂ и числом растворенных атомов металла в электролите, и фактически является идеальной сопоставимой мерой стабильности фотоэлектрода. Стабильность фотоэлектрода высока, если расщепление воды происходит быстро (в данном случае выделение О ₂ ) и в электролит поступает мало атомов металла. Этот параметр также можно использовать для определения изменения стабильности фотоэлектродов в течение срока их службы или для оценки различий в стабильности BiVO 9 .0015 4 в различных рН-буферных боратных, фосфатных и цитратных электролитах (поглотитель дырок).

Эта работа показывает, как в будущем можно будет сравнивать стабильность фотоэлектродов и катализаторов. Авторы продолжили сотрудничество и теперь используют эти ценные методы и идеи для разработки жизнеспособных решений для повышения стабильности фотоанодов BiVO ₄ и обеспечения их долгосрочного практического применения.

---

Узнайте больше

Более пристальный взгляд на потенциал солнечного топлива расщепления воды

---

Дополнительная информация: Siyuan Zhang et al. Различная фотостабильность BiVO ₄ в электролитах с почти нейтральным pH, ACS Applied Energy Materials (2020). DOI: 10.1021/acsaem.0c01904

Предоставлено Ассоциация немецких исследовательских центров имени Гельмгольца

Ссылка : Солнечный водород: рассмотрим стабильность фотоэлектродов (2020, 26 октября) получено 15 сентября 2022 г. с https://phys.org/news/2020-10-solar-hydrogen-stability-photoelectrodes.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Electrode — Bilder und Stockfotos

16.396Bilder

• Bilder
• Fotos
• Grafiken
• Vektoren
• Videos
AlleEssentials

Niedrigster Preis

Signature

Beste Qualität

Durchstöbern Sie 16.

396 electrode Stock-Fotografie и Билдер. Oder starten Sie eine neuesuche, um noch mehr Stock-Photografie und Bilder zu entdecken.
электростимуляция в физиотерапии для молодых женщин — фото и фото электродов

Электростимуляция в рамках физиотерапевтической терапии для всех…

frau das richtige für sie. — фото и фото электродов

Frau das Richtige für Sie.

modernes, tragbares ecg gerät an einem unfall einkaufswagen. — фото и изображения электродов

Modernes, tragbares ECG Gerät and einem Unfall Einkaufswagen.

Электромиография для пациентов с электромиографией в медицинском центре — фото и фото электродов

Электромиография для пациентов в медицинском центре…

patientennerventests mittels elektromyographie im medizinischen zentrum — electrode stock-fotos und bilder

Patientennerventests mittels Elektromyographie im medizinischen…

arzt platziert elektroden auf dem kopf des patienten für eine polysomnographie (schlafstudie) — electrode stock-fotos und bilder

Arzt platziert Elektroden auf dem Kopf des Patienten für eine. ..

Neonatale ekg elektroden-symbol — электрод фондовый график, -клипарт, -мультфильмы и -symbole

Neonatale Ekg Elektroden-Symbol

abgeschnittenes bild von einer afrikanischen ärztin oder krankenschwester, die holter und vakuumelektroden auf der brust eines jungen mannlichen пациента im krankenhaus klebt. ЭКГ и Herzgesundheitskonzept. jährlicher gesundheitscheck. — фото и фото электродов

Abgeschnittenes Bild von einer afrikanischen ärztin oder…

festkörper-lithium-batteriezelle mit kathode — фото и фото электродов

Festkörper-Lithium-Batteriezelle mit Kathode

holter-sensoren — фотоэлектроды и изображение

Сенсор Холтера

с электростимулятором, наложенным на кожу — фото и изображения электродов

С электростимулятором, наложенным на кожу,

Электростимулятор миостимуляции, наложенный на кожу, для массажа и реабилитации. — фото и фото электродов

Myostimulationselektroden auf dem Rücken einer Frau zur Massage…

десять, транскутанная электрическая стимуляция нервов в физиотерапии. Therapeut positioniert elektroden auf patient knie — сток фото и изображений электродов

TEN, Transkutane elektrische Nervenstimulation in der…

joseph wilson swan glühbirne — электроды, стоковые фото и изображения

Joseph Wilson Swan glühbirne

ten-behandlung — электроды, фото и изображения

Ten-Behandlung

close-up monitors einess schusss с датой экг. männlicher athlet läuft auf einem laufband mit elektroden angebracht, seinen körper beim sport wissenschaftler hält table und ekg-status imhintergrund überwacht. — изображения и изображения электродов

Close-up Schuss eines Monitors mit EKG-Daten. Männlicher Athlet lä

gehirn verknüpfen — electrode stock-fotos und bilder

Gehirn verknüpfen

mobile tragbare geräte oder geräte die maßeinheit des elektrokardiogramms in einer arztpraxis — electrode stock-fotos und bilder

Mobile tragbare Geräte oder Geräte die Maßeinheit des…

freunde im elektrostimulationsanzug trainieren в хоккендер позиции в der nähe des schwimmbades — фото и фотографии электродов

Freunde im Elektrostimulationsanzug trainieren in hockender. ..

електроденармстимуляция и тренировка. schmerztherapie — фото и изображения электродов

Электроденармстимуляция и тренировка. Schmerztherapie

Patienten-gehirntests mittels enzephalographie im medizinischen zentrum — электроды, фото и фотографии

Patienten-Gehirntests mittels Enzephalographie im medizinischen…

charmante junge frau, die in der elektroenzephalography — электроды stock-fotos, junge 04gelger 90 in der Elektroenzephalographie
Künstliches gehirn — электроды, стоковые фото и фото

Künstliches Gehirn

patienten-gehirntests mittels enzephalographie im medizinischen zentrum — электроды, фото и фото

Patienten-Gehirntests mittels Enzephalography im medizinischen…

миостимуляция. korrektur der skoliose Bei Frauen mit elektrostimulatoren. пациент для массажа — фото и фотографии электродов

Миостимуляция. Korrektur der Skoliose bei Frauen mit…

arzt im gespräch mit einem jungen vor der polysomnography (schlafstudie) — электродные фото и фотографии

Arzt im Gespräch mit einem Jungen vor der Polysomnography (Schlaf

biofeedback — weiblicheschlossen hand mit ange herzfrequenzmessung — фото и фотографии электродов

Биологическая обратная связь — Weibliche Hand mit geschlossenen Sensoren zur. ..

aed strat. автоматический внешний дефибриллятор. — графические изображения электродов, -клипарты, -мультфильмы и -символы

AED Strat. Автоматический внешний дефибриллятор.

ein nahaufnahmefoto der schulter einespatientn mit elektrodengel aufgetragen — flache tiefe des feldes. — фото и фото электродов

Ein Nahaufnahmefoto der Schulter eines Patienten mit…

männliche спортсмены durchführen ekg und vo2 test auf indoor-fahrrad — фото и фото электроды

Männliche Athleten durchführen EKG und VO2 Test auf Indoor-Fahrrad

schweißelektroden. schweißwerkzeuge und zubehör — фото и фото электродов

Schweißelektroden. Schweißwerkzeuge und Zubehör

Электромиография для пациентов с электромиографией в медицинском центре — фото и фото электродов

Тесты для пациентов с электромиографией в медицине…0013 elektrode für electromyogram — electrode stock-fotos und bilder

Elektrode für electromyogram

herz-tests — electrode stock-fotos und bilder

Herz-Tests

niederrückenphysikalische therapie mit tens elektrodenpads, transkutane elektrische nervenstimulation — electrode stock-fotos und bilder

Niederrückenphysikalische Therapie mit TENS Elektrodenpads,. ..

myostimulationselektroden am gesäß und den beinen einer frau in einem schönheitssalon. — стоковые фотографии и изображения электродов

Myostimulationselektroden Am Gesäß und and Den Beinen Einer Frau …

Tiefe Sereimatstimulationsverfahren Pädagogische Erklärung Umrissdiagramm -Electrode stock -grafiken, -клейпарк, -картонс -элерис -элерис -элерис -элерис -элерис -элерис.

Elektroenzephalographie

nahaufnahme einer mann mit mask zum schweißen in einer werkstatt — электроды, фото и фотографии

Nahaufnahme einer Mann mit Maske zum Schweißen in einer Werkstatt

Junger Mann wird auf ems-sitzung vorbereitet — набор фото и изображений электродов

Junger Mann wird auf EMS-Sitzung vorbereitet

электростимуляция в физиотерапии для молодой женщины — электроды сток фото и изображения

Elektrostimulation in der Physiotherapie

электричество — фото и фото электродов

Электричество

ЭЭГ мозговых волн или электроэнцефалограф для исследования в любой клинике — фото и фото электродов

ЭЭГ мозговых волн или электроэнцефалограф Untersuchung des. ..

Рабочий электрод — фото и изображения электродов

Рабочий электрод

mann in verbindung mit kabeln für EEG vor überwachung — электроды Stock-fotos und Bilder

Mann in Verbindung mit Kabeln für EEG vor Überwachung

eeg (elogrammenphalektrode) . — Электрод графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ

ЭЭГ (Электроэнцефалограмма) Wellenformen.

Schöne Frau immer электростимуляция sanieren. лазерно-липо-аусрюстунг. косметика Fett reduzieren die behandlung. anti-cellulite-verfahren — фото и фото электродов

Schöne Frau immer Elektrostimulation sanieren. Laser-Lipo-Ausrüstu

Лечебная реабилитация для колен — фото и фото электродов

Лечебная реабилитация для колен

rückenschmerzen elektrodenstimulation und training — электроды для фото и фото

Rückenschmerzen Elektrodenstimulation und Training

ärztin platziert derektroden alectroden стоковые фотографии и изображения

Ärztin platziert Elektroden auf der Brust eines Mannes

электродно-мышечная стимуляциятерапия — электроды стоковые фотографии и изображения

Elektroden-Muskelstimulationstherapie

gefahr für menschen mit künstlichen herzschrittmachern durch hochspannung. — фото и фото электродов

Gefahr für Menschen mit künstlichen Herzschrittmachern durch…

клинический тест — фото и фото электродов

Klinische test

junge frau, die eine eeg test — фото и фото электродов

Junge Frau, die eine eeg test

ärztliche behandlung knieschmerzen — электроды, фото и фотографии

Ärztliche Behandlung Knieschmerzen

banner mit wissenschaftlicher elektrophysiologischer einrichtung mit einem mikroskop zur aufzeichnung von neuronen in hirnproben und zellkulturen, details, nahaufnahme, mit kopierraum für text — electrode stock-fotos und bilder

Banner mit wissenschaftlicher elektrophysiologischer Einrichtung…

schöne frauenpuppe mit eeg-hut in Experimenteller aufzeichnung der gehirnaktivität, die im computerbildschirm im gradientenhintergrund mit kopierraum und binocularer optik gezeigt wird. konzept wissenschaft und technologie. — стоковые фотографии и изображения электродов

Schöne Frauenpuppe mit EEG-Hut in Experimenteller Aufzeichnung. ..

десять электродов — фото и изображения электродов

Ten Elektroden

gehirn wellen. elektroden mit einem mann kopf — изображения на складе электродов, картинки, мультфильмы и символы

Gehirn Wellen. Электроден mit einem Mann Kopf

фон 100

Фотоперезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы с использованием электродов с гетероструктурой Nanorod

. 2021 дек;17(51):e2105029.

doi: 10.1002/smll.202105029. Epub 2021 16 ноября.

Амар Кумар ¹ , Паллави Тхакур ¹ , Рахул Шарма ¹ , Ананд Б Путират ² , Пуликель М Аджаян ² , Тарангатту Н Нараянан ¹

Принадлежности

Принадлежности

• ¹ Институт фундаментальных исследований Тата — Хайдарабад, Хайдарабад, Телангана, 500046, Индия.
• ² Факультет материаловедения и нанотехнологии, Университет Райса, Хьюстон, Техас, 77005, США.
• PMID: 34786850
• DOI: 10.1002/смл.202105029

Амар Кумар и др. Маленький. 2021 Декабрь

. 2021 дек;17(51):e2105029.

doi: 10.1002/smll.202105029. Epub 2021 16 ноября.

Авторы

Амар Кумар ¹ , Паллави Тхакур ¹ , Рахул Шарма ¹ , Ананд Б Путират ² , Пуликель М Аджаян ² , Тарангатту Н Нараянан ¹

Принадлежности

• ¹ Институт фундаментальных исследований Тата — Хайдарабад, Хайдарабад, Телангана, 500046, Индия.
• ² Факультет материаловедения и нанотехнологии, Университет Райса, Хьюстон, Техас, 77005, США.
• PMID: 34786850
• DOI: 10.1002/смл.202105029

Абстрактный

Новые способы прямого использования солнечной энергии для зарядки электрохимических накопителей энергии, таких как аккумуляторы, приведут к захватывающим разработкам в энергетических технологиях. Здесь демонстрируется двухэлектродная фотоперезаряжаемая литий-ионная батарея с использованием наностержней полупроводниковых гетероструктур типа II с плоскостными доменами кристаллического MoS ₂ и аморфного MoO _x . Смещенное выравнивание энергетических зон MoS ₂ и MoO _x ограничивает рекомбинацию электронных дырок и приводит к тому, что дырки сохраняются в MoS 9, интеркалированном литием.0015 2 электрод. Отверстия, образующиеся в MoS ₂ , выталкивают интеркалированные ионы лития и, следовательно, заряжают аккумулятор. Низкая ширина запрещенной зоны, высокоэффективное фотопреобразование и эффективное разделение электронов и дырок помогают аккумулятору полностью заряжаться в течение нескольких часов с использованием солнечного света. Предлагаемая концепция и материалы могут позволить создать стабильные фотоперезаряжаемые аккумуляторные электроды следующего поколения, в отличие от материалов, о которых сообщалось.

Ключевые слова: литий-ионные аккумуляторы; МоО Икс; MoS 2; фотоаккумуляторы; солнечные батареи; полупроводниковые гетероструктуры II рода.

© 2021 Wiley-VCH GmbH.

Похожие статьи

• Литий-ионная аккумуляторная батарея: перспектива.

  Goodenough JB, Park KS. Гуденаф Дж. Б. и соавт. J Am Chem Soc. 2013 30 января; 135 (4): 1167-76. дои: 10.1021/ja30

  . Epub 2013, 18 января. J Am Chem Soc. 2013. PMID: 23294028

• Интегрированные фоточувствительные батареи для использования солнечной энергии: последние достижения, проблемы и возможности.

  Фанг З., Ху С., Ю. Д. Фан Зи и др. Чемплющ. 2020 апрель;85(4):600-612. doi: 10.1002/cplu.2018. Epub 2020 16 января. Чемплющ. 2020. PMID: 31945278 Обзор.

• Перезаряжаемые литиевые батареи с подсветкой: органические молекулы для одновременного сбора и хранения энергии.

  Като К., Путират А.Б., Моджибпур А., Мирошников М., Сатапати С., Тангавел Н.К., Маханкали К., Донг Л.М., Арава Л.М.Р., Джон Г., Бхарадвадж П., Бабу Г., Аджаян П.М. Като К. и др. Нано Летт. 2021 27 января; 21 (2): 907-913. doi: 10.1021/acs.nanolett.0c03311. Epub 2021 8 января. Нано Летт. 2021. PMID: 33416335

• Эффективное разделение фотовозбужденных носителей в массиве g-C ₃ N ₄ , декорированном WO ₃ , гетеропереходе в качестве катода перезаряжаемой батареи Li-O ₂ .

  Сюэ Х , Ван Т , Фэн Ю , Гонг Х , Фан Х , Гао Б , Конг Ю , Цзян С , Чжан С , Хуан Х , Хэ Дж . Сюэ Х и др. Наномасштаб. 2020 сен 28;12(36):18742-18749. дои: 10.1039/d0nr04956д. Epub 2020 3 сентября. Наномасштаб. 2020. PMID: 32970089

• Недавний прогресс в области органических электродов для литиевых и натриевых перезаряжаемых аккумуляторов.

  Ли С., Квон Г., Ку К., Юн К., Юнг С.К., Лим Х.Д., Кан К. Ли С. и др. Adv Mater. 2018 Окт;30(42):e1704682. doi: 10.1002/adma.201704682. Epub 2018 27 марта. Adv Mater. 2018. PMID: 29582467 Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

использованная литература

1. 1. В. Вега-Гарита, А. Ханиф, Н. Нараян, Л. Рамирес-Элизондо, П. Бауэр, Дж. Источники питания 2019, 438, 227011.
2. 1. J. Xu, Y. Chen, L. Dai, Nat. коммун. 2015, 6, 8103.
3. 1. К. Ли, Ю. Лю, С. Го, Х. Чжоу, Nano Today 2017, 16, 46.
4. 1. Г. Риццо, IFAC Proc. Том. 2010, 43, 174.
5. 1. Клеш А.Т., Кабамба П.Т., Гид Дж., Управление, Дин. 2009, 32, 1320.

Грантовая поддержка

• Инфосис-ТИФР
• Департамент атомной энергии
• RTI 4007/Правительство Индии

Стратегия стабилизации водорасщепляющих фотоэлектродов для производства солнечной энергии в водород

Ингрид Фаделли, Tech Xplore

Высокопроницаемый и прозрачный гидрогелевый протектор устройства PEC. а, Схема фотокатода Pt/TiO2/Sb ₂ Se ₃ , защищенного гидрогелем ПААМ, для расщепления воды из ПЭК при освещении. Поскольку гидрогель PAAM обладает высокой проницаемостью и прозрачностью, ионы водорода в электролите и падающий свет могут достигать фотоэлектрода без помех со стороны верхнего слоя устройства. b, Изготовление гидрогелевого протектора устройства сверху. APTES обозначает (3-аминопропил)триэтоксисилан. Кредит: Тан и др., Энергия природы (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-01042-5

В последние годы инженеры пытались разработать новые технологии для более устойчивого производства и хранения энергии в надежде преодолеть глобальную зависимость от ископаемого топлива и бороться с изменением климата. Решение, которое привлекло большое внимание, — это преобразование солнечной энергии в водород посредством процесса, известного как расщепление воды.

Расщепление воды — это химический процесс, посредством которого вода может быть расщеплена на два основных компонента: водород и кислород. Фотоэлектрохимические (PEC) процессы расщепления воды позволят производить зеленый водород из солнечного света и воды.

Для крупномасштабного внедрения устройства PEC не должны быть слишком дорогими и иметь длительный срок службы. Однако разработка устройств, стабильных с течением времени, с использованием широкодоступных и доступных материалов до сих пор оказалась сложной задачей.

Фактически, прошлые исследования показали, что фотоэлектроды, изготовленные из материалов, которых много на Земле, таких как светопоглощающие полупроводники, имеют тенденцию легко подвергаться коррозии под воздействием солнечного света. Это существенно тормозит разработку устройств ФЭП на основе этих распространенных и более доступных материалов.

Исследователи из Университета Ёнсей недавно представили новую стратегию, которая может повысить стабильность фотоэлектродов в устройствах для расщепления воды с помощью PEC. Этот метод, представленный в статье, опубликованной в Nature Energy , влечет за собой использование прозрачного слоя на основе гидрогеля, который может защитить фотокатоды (то есть отрицательно заряженные электроды, которые испускают электроны при воздействии лучистой энергии света).

«Сроку службы фотоэлектрохимических устройств препятствует сильная фотокоррозия полупроводников и нестабильность фотокатализаторов», — написали Джейван Тан и его коллеги в своей статье. «Мы сообщаем о стратегии стабилизации фотоэлектрохимических устройств, в которой используется полиакриламидный гидрогель в качестве высокопроницаемого и прозрачного протектора устройства сверху».

Проницаемый и прозрачный защитный слой, разработанный Таном и его коллегами, вдохновлен фотосинтезирующими морскими растениями. Эти растения, включая морские водоросли, имеют клетки, покрытые нанопористым защитным гидрогелем. Этот водород может предотвратить деформацию и разрыв клеток, которые могут возникнуть в результате физического контакта с силами и организмом в водной среде.

Когда клетки морских водорослей покрыты этим водородом, они могут пропускать свет и сохранять уровень воды. Исследователи попытались создать аналогичный защитный слой, который мог бы предотвратить коррозию фотоэлектродов, тем самым повысив стабильность устройств PEC. Они испытали этот слой на фотокатоде из триселенида сурьмы (Sb ₂ Se ₃ ).

«Фотокатод Sb ₂ Se ₃ , защищенный гидрогелем, демонстрирует стабильность в течение 100 часов, поддерживая ~ 70% начального фототока, а скорость деградации постепенно снижается до уровня насыщения», — пишут исследователи в своей статье. «Структурная стабильность фотокатода Pt/TiO ₂ /Sb ₂ Se ₃ остается неизменной по истечении этого времени, а эффективный выход пузырьков обеспечивается через микрогазовый туннель, образованный в гидрогеле, для получения механически стабильного протектора. »

Первоначальные тесты, проведенные исследователями, дали очень многообещающие результаты, предполагая, что их защитный водород может предотвратить деградацию и коррозию фотодетекторов на основе Sb ₂ Se ₃ для приложений разделения воды. Тан и его коллеги также продемонстрировали, что их защитный гидрогель совместим с электролитами с широким диапазоном значений pH, при этом всегда используются фотокатод SnS и фотоанод BiVO ₄ со сроком службы ~500 часов.

В будущем протектор на основе гидрогеля, представленный в их статье, может быть использован для защиты фотокатодов внутри различных устройств PEC для разделения воды. Это могло бы способствовать широкомасштабному внедрению этих устройств, что в конечном итоге помогло бы бороться с изменением климата.

---

Узнать больше

Солнечный водород: фотоаноды обещают высокую эффективность

---

Дополнительная информация: Джейван Тан и др., Стратегия защиты гидрогелем для стабилизации водорасщепляющих фотоэлектродов, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-01042-5

Информация журнала: Энергия природы

© 2022 Наука Х Сеть

Цитата : Стратегия стабилизации водорасщепляющих фотоэлектродов для производства солнечной энергии в водород (12 июля 2022 г.