Heterostructure nanomaterials for efficient photoelectrochemical devices.

Li, Faying (2023). Heterostructure nanomaterials for efficient photoelectrochemical devices. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 203 p.

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Résumé

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La production d'hydrogène solaire photoélectrochimique (PEC) est une voie prometteuse pour convertir l'énergie solaire en énergie chimique en utilisant des semi-conducteurs comme matériaux actifs. Dans le processus de fractionnement de l'eau PEC, l'efficacité de conversion de l'énergie solaire en énergie hydrogène est principalement déterminée par l'absorption de la lumière des photocatalyseurs, la séparation et la migration des porteurs photogénérés et la catalyse de surface. Cependant, les performances sont encore loin d'être satisfaisantes en raison d'une plage d'absorption limitée et d'une recombinaison de charge rapide. Par conséquent, l'élargissement efficace de la plage spectrale d'absorption des photocatalyseurs et la suppression de la recombinaison de charge des paires électron-trou photogénérées sont deux moyens importants d'améliorer l'efficacité de conversion photoélectrique des matériaux semi-conducteurs à base de PEC. Par rapport aux photocatalyseurs à composant unique, les photocatalyseurs à hétérostructure qui combinent au moins deux matériaux fonctionnels dans un système ont reçu plus d'attention au cours de la dernière décennie grâce à l'effet synergique. Cette thèse explore comment les matériaux semi-conducteurs hétérostructurés interagissent les uns avec les autres, et comment des propriétés telles que la gestion de la lumière et l'injection de charge peuvent être contrôlées en modulant de manière appropriée les interfaces des nanomatériaux pour améliorer les performances du dispositif PEC. Les points quantiques à zéro dimension (0D QD) ont été reconnus comme l'un des photosensibilisateurs les plus prometteurs pour la fabrication de photoélectrodes, grâce à leurs propriétés optiques uniques et évolutives où l'absorption et la photoluminescence des QD sont réglables en composition et en taille, étendant la plage d'absorption de l'ultraviolet au visible et aussi au proche infrarouge (UV-VIS-NIR). De plus, étant donné que la structure en couches bidimensionnelle (2D) est bénéfique pour raccourcir le temps et la distance de transport de charge, les hétérojonctions basées sur des matériaux 2D peuvent présenter une séparation et un transfert de charge plus efficaces. L'hétérostructure à base d'interfaces 0D/2D est particulièrement intéressante du fait de la possibilité de construire facilement des interfaces intimes, qui peuvent inhiber la recombinaison des porteurs. J'ai d'abord synthétisé une hétérojonction 0D/2D, qui a été construite par des QD de chalcogénure métallique 0D et des nanofeuillets Zn-MoS2 2D hiérarchiques (NS). L'effet du PbS, du CdS et de leurs composites core-shell PbS@CdS QDs est analysé en les déposant sur des NS Zn-MoS2 à l'aide d'un procédé in situ. Cette hétérojonction distinctive peut tirer parti des capacités de collecte de lumière des QD avec les performances catalytiques du Zn-MoS2. Par rapport à Zn-MoS2, Zn-MoS2/PbS et Zn-MoS2/CdS, l'hétérostructure 0D/2D obtenue basée sur le composite Zn-MoS2/PbS@CdS a un photocourant considérablement amélioré. L'effet synergique entre l'hétérojonction 0D/2D, la plage d'absorption étendue des QD et le fort couplage et l'alignement des bandes entre eux conduisent à des performances PEC solaires supérieures. Ce travail peut fournir une nouvelle plate-forme pour construire des nanohybrides 0D/2D multifonctionnels pour des applications optoélectroniques, non limitées aux dispositifs PEC. De nos jours, la majorité des QD utilisés dans les dispositifs de génération d'hydrogène PEC sont basés sur des matériaux contenant des métaux lourds, tels que Pb et Cd. Malheureusement, l'utilisation de ces matériaux entrave leur potentiel de développement commercial en raison de problèmes de santé et d'environnement. En utilisant une procédure d'échange de cations assistée par modèle, nous avons développé des QD CuInSe2/(CuInSexS1-x)5/CuInS2 respectueux de l'environnement basés sur une architecture multicouche à gradient, présentant une absorption optique et une photoluminescence (PL) dans le proche infrarouge (NIR). ) Propriétés. Les QD NIR sont utilisés comme sensibilisateurs pour le TiO2 mésoporeux et pour la production d'hydrogène PEC. Basé sur l'architecture à gradient, le dispositif PEC a montré une amélioration de 200 % par rapport aux QD CuInSe2 à cœur simple et de 73 % par rapport à la structure cœur/coquille. L'amélioration est attribuée à un alignement de bande électronique par étapes favorable et à un taux de transfert d'électrons amélioré avec l'incorporation de couches de gradient interfaciales. Ces résultats pourraient ouvrir la voie à la synthèse de QD sans métaux lourds, présentant une large application dans les technologies optoélectroniques émergentes. Combinez les stratégies mentionnées ci-dessus, une approche d'injection à chaud est utilisée pour synthétiser des QD sans métaux lourds CuInS2 dopés au Zn 0D hautement monodispersés, qui sont ensuite ancrés sur des NS hiérarchiques 2D / 2D MoS2 / rGO via une méthode facile assistée par sonication pour développer un 0D /Interface d'hétérojonction 2D/2D pour la séparation de l'eau PEC. La structure interfaciale et l'alignement des bandes entre les QD 0D proposés et les NS MoS2/rGO 2D/2D sont conçus en modulant le rapport molaire Zn pendant la synthèse des QD. Les positions des bandes d'énergie des points quantiques après dopage sont étudiées et discutées en détail. Comme preuve de concept, la photoanode 0D/2D/2D optimisée présente une activité PEC presque 5 fois plus élevée que les NS MG/CuInS2 et MoS2/Zn-CuInS2 en raison de l'absorption de lumière améliorée, de la séparation de charge efficace et de la transmission. On observe que le dopage au Zn et l'introduction de graphène jouent un rôle essentiel dans l'amélioration des performances de l'hétéro-structure proposée, la réduction de la recombinaison des porteurs de charge et l'amélioration de la récolte de la lumière solaire. Ce travail montre comment le contrôle de l'alignement optimal des bandes et de l'additif de carbone peut faciliter le transfert de charge, permettant le développement de dispositifs PEC hautement efficaces basés sur un nanocomposite à hétérostructure 0D/2D/2D.

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Photoelectrochemical (PEC) solar-driven hydrogen production is a promising route to convert solar energy into chemical energy using semiconductors as active materials. In the process of PEC water-splitting, the conversion efficiency of solar energy to hydrogen energy is mainly determined by the light absorption of photocatalysts, the separation and migration of photogenerated carriers, and surface catalysis. However, the performance is still far from satisfactory due to a limited absorption range and rapid charge recombination. Therefore, effectively expanding the absorption spectral range of photocatalysts and suppressing the charge recombination of photogenerated electron-hole pairs are two essential ways to improve the photoelectric conversion efficiency of semiconductor materials based on PEC. Compared to single-component photocatalysts, heterostructure photocatalysts that combine at least two functional materials in one system have received more attention in the last decade thanks to the synergistic effect. This thesis explores how heterostructure semiconducting materials interact with each other, and how properties such as light management and charge injection can be controlled by appropriately modulating the interfaces of nanomaterials to improve the performance of the PEC device. Zero-dimensional quantum dots (0D QDs), have been recognized as one of the most promising photosensitizers for photoelectrodes fabrication, thanks to their unique and scalable optical properties where absorption and photoluminescence of the QDs are composition and size tunable, extending the absorption range from ultraviolet to Visible and also Near-infrared (UV VIS-NIR). In addition, since the two-dimensional (2D) layered structure is beneficial for shortening the charge transport time and distance, heterojunctions based on 2D materials can exhibit more efficient charge separation and transfer. Heterostructure based on 0D/2D interfaces is particularly interesting due to the possibility of easily constructing intimate interfaces, which can inhibit carrier recombination. First, I synthesized a 0D/2D heterojunction, which was constructed by 0D metal chalcogenide QDs and hierarchical 2D Zn-MoS2 nanosheets (NSs). The effect of PbS, CdS, and their composite core-shell PbS@CdS QDs is analyzed by depositing them onto Zn-MoS2 NSs using an in situ process. This distinctive heterojunction can leverage the light-harvesting capabilities of QDs with the catalytic performance of Zn-MoS2. Compared to Zn-MoS2, Zn-MoS2/PbS, and Zn-MoS2/CdS, the obtained 0D/2D heterostructure based on the composite Zn-MoS2/PbS@CdS has a significantly enhanced photocurrent. The synergistic effect between 0D/2D heterojunction, the extended absorption range of QDs, and the strong coupling and band alignment between them lead to superior solar-driven PEC performance. This work can provide a new platform to construct multifunctional 0D/2D nanohybrids for optoelectronic applications, not limited to PEC devices. Nowadays, the majority of the QDs used in devices for PEC hydrogen generation are based on heavy-metal-containing materials, such as Pb and Cd. Unfortunately, using these materials hampers their perspective to be commercially developed due to health and environmental concerns. By using a template-assisted cation exchange procedure, we developed eco-friendly CuInSe2/(CuInSexS1-x)5/CuInS2 QDs based on a gradient multi-shell architecture, exhibiting tunable Near Infra-Red (NIR) optical absorption and photoluminescence (PL) properties. The NIR QDs are used as sensitizers for mesoporous TiO2 and employed for PEC hydrogen production. The PEC device based on the gradient architecture showed a 200 % improvement compared to the simple core CuInSe2 QDs and 73 % compared to the core-shell structure. The enhancement is ascribed to favorable stepwise electronic band alignment and improved electron transfer rate by incorporating interfacial gradient layers. These results could pave the way for synthesizing heavy-metal-free QDs, exhibiting broad application in emerging optoelectronic technologies. Combine the strategies mentioned above, a hot injection approach is utilized to synthesize highly monodisperse 0D Zn doped CuInS2 heavy-metal free QDs, which are then anchored on hierarchical 2D/2D MoS2/rGO NSs via a facile sonication-assisted method to develop a 0D/2D/2D heterojunction interface for PEC water splitting. The interfacial structure and band alignment between the proposed 0D QDs and 2D/2D MoS2/rGO NSs is engineered by modulating the Zn molar ratio during the QDs synthesis. The energy band positions of QDs after doping is investigated and discussed in detail. As proof of concept, the optimized 0D/2D/2D photoanode exhibit almost 5 times higher PEC activity than MG/CuInS2 and MoS2/Zn-CuInS2 NSs due to the enhanced light absorption, efficient charge separation, and transmission. It is observed that the Zn doping and the introduction of graphene play an essential role in enhancing the performance of the proposed heterostructure, reducing the recombination of charge carriers, and improving the harvesting of sunlight. This work shows how the control of optimum band alignment and carbon additive can facilitate charge transfer, allowing the development of high-efficient PEC devices based on 0D/2D/2D heterostructure nanocomposite.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Rosei, Federico
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Wei, Qin
Mots-clés libres:	photoélectrochimique; fractionnement de l'eau; séparation des charges; transmission de charge, plage d'absorption de la lumière; hétéro-structure; 0D/2D; points quantiques; QD core-shell; dichalcogénure de métal de transition; se doper; alignement de bande réglable; QD à gradient; calcul théorique; photoelectrochemical; water splitting; charge separation; charge transmission, light absorption range; heterostructure; 0D/2D; quantum dots; core-shell QDs; transition metal dichalcogenide; doping; band alignment tunable; gradient QDs; theoretical calculation
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	31 août 2023 13:47
Dernière modification:	31 août 2023 13:47
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13532

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