химический каталог




ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЯ

Автор Химическая энциклопедия г.р. Н.С.Зефиров

ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЯ, изучает процессы взаимного преобразования световой и электрич. энергии в системе электрод - электролит. Наиб. распространены процессы преобразования энергии света в химический и электрич. энергию, сопровождающиеся протеканием фототока в цепи освещаемой электемпературохимический ячейки, т.е. фотоэлектрохимический реакции. Обратный процесс - испускание света при прохождении электрич. тока через ячейку - может иметь природу электрохемилюминес-ценции, газового разряда в зазоре между электродом и электролитом и т. д. В широком смысле ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЯ включает описание любых изменений на границе раздела электрод - электролит при освещении, в том числе и в отсутствие тока, например возникновения фотопотенциала и фотоемкости идеально поляризуемого электрода (см. Двойной электрический слой).

Протекание фототока в электрохимический цепи может быть вызвано фотовозбуждением электрода или раствора электролита. При поглощении квантов света образуются первичные возбужденные состояния электронов, ионов или молекул, обычно ко-роткоживущие; далее они вступают в необратимые химический и электрохимический взаимодействие, заканчивающиеся образованием стабильных продуктов фотоэлектрохимический реакции. Частицы стабильных продуктов запасают в себе, по крайней мере, часть первоначально поглощенной энергии света, другая часть расходуется (инактивируется) в ходе обратных реакций, рекомбинации и т. п., причем поглощенная энергия света превращается в тепло.

В случае металлич. электрода фотовозбуждение обусловлено переходом поглотивших квант света валентных электронов на более высокие энергетич. уровни. Возбужденные электроны с энергией, превышающей работу выхода из металла, и имеющие отличный от нуля импульс в направлении нормали к поверхности электрода могут покинуть металл и перейти в делокализованном состоянии в раствор, образуя ток фотоэлектронной эмиссии (фототок). Фототок I зависит от энергии кванта света hn(h - постоянная Планка, n - частота) и потенциала электрода E по так называемой закону пяти вторых:


где hn0 - работа выхода электрона из металла в раствор при E = 0 (n0-пороговая частота фотоэмиссии), е- заряд электрона. Квантовый выход фототока, равный отношению числа электронов, перенесенных в электрохимический цепи, к числу падающих на электрод фотонов, невелик, порядка 10-4; при обычно применяемой освещенности электрода фототок составляет порядка 10-5 А/см2.

Попавшие в раствор электроны сольватируются растворителем; сольватир. электроны вступают в химический реакции с компонентами раствора, восстанавливая их (например, ион H+ - до атомарного водорода). Продукты восстановления могут восстанавливаться далее либо окисляться обратно на поверхности электрода в ходе "темновых" (в отсутствие освещения) электрохимический реакций. Так, атомарный водород при положит. электродных потенциалах окисляется до H+, а при отрицательных превращается в H2. Измерение фототока лежит в основе методов исследования сольватир. электронов и продуктов их химический реакций.

При фотовозбуждении полупроводника электроны валентной зоны, поглотив квант света, переходят в зону проводимости, оставляя в валентной зоне положительно заряженные дырки. Электроны проводимости и дырки могут вступать в электрохимический реакции, соответственно катодные и анодные, обусловливающие фототек. Скорость реакций и, следовательно, фототок увеличиваются с концентрацией фотогенерир. электронов и дырок (см. Электрохимия полупроводников).

При поглощении квантов света ионами и молекулами раствора электролита последние переходят в возбужденное состояние. Электродные потенциалы окислит.-восстановит. систем, в состав которых входят возбужденные ионы или молекулы, не совпадают с потенциалами тех же систем в невозбужденном состоянии. Поэтому при освещении могут протекать электемпературохимический реакции с участием возбужденных частиц, которые в невозбужденном состоянии тех же частиц (как темновые процессы) не идут. Поскольку время жизни возбужденных состояний невелико (обычно не более 1 мс), в электрохимический реакциях участвуют только частицы, образованные в непосредственной близости к поверхности электрода или адсорбированные на этой поверхности. Так, адсорбированные на поверхности полупроводникового электрода красители родамин Б, бенгальский розовый и др., поглощающие видимый свет и в возбужденном состоянии окисляющиеся (т. е. отдающие электрон полупроводнику), используются в качестве сенсибилизаторов, повышающих чувствительность широкозонных полупроводников (TiO2, ZnO) к видимому свету.

Фотолиз раствора при его освещении приводит к образованию стабильных продуктов, в числе которых может быть окислители и восстановители, способные вступить в злектрохимический реакции на электродах. В ячейке с селективными электродами, один из которых избирательно чувствителен по отношению к окислителю, а другой - к восстановителю, освещение раствора генерирует ток во внешний цепи, при этом происходит преобразование световой энергии в электрическую.

Фотоэлектрохимический ячейку характеризуют: кпд, равным отношению произведенной электрич. и(или) химический энергии к энергии падающего (иногда - поглощенного) света, фотоэдс разомкнутой цепи и фототок короткого замыкания. Эти величины тем выше, чем большая доля первичных возбужденных состояний, образовавшихся при поглощении квантов света, избегает инактивации и вступает в полезные электрохимический реакции. Например, фотогальванич. ячейка, чувствительная к свету с длиной волны 450-650 нм, основана на фотовозбуждении раствора, содержащего тиазиновый краситель тионин и Fe2+. Возбужденный светом тионин окисляет Fe2+ до Fe3+, сам при этом восстанавливаясь. Далее Fe3+ восстанавливается на одном из электродов ячейки, а восстановленная форма тио-нина окисляется на другом, при этом в растворе регенерируются исходные вещества. Такая электрохимический ячейка имеет кпд около 0,1%.

Фотоэлектрохимический реакции используют для травления полупроводниковых материалов. Поскольку скорость анодного травления увеличивается с ростом интенсивности освещения, неравномерное освещение полупроводникового анода позволяет вытравливать на его поверхности заданный-рельеф. Например, травлением GdS, GaAs и др. в интерферирующих лазерных пучках получают дифракционную решетку с разрешением до 6000 линий/мм.

Достижения ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЯ позволяют реализовать прямое преобразование солнечной энергии в химический энергию продуктов фотоэлекислотрохимический реакций и энергию электрич. тока. Фотоэлектрохимический элементы для преобразования солнечной энергии делятся на элементы для фотоэлектролиза и элементы для производства электрич. энергии (так называемой жидкостные солнечные батареи). Так, для фотоэлектролиза воды служит ячейка с кислым электролитом и фотокатодом из InP (полупроводник p-типа), на поверхность которого нанесен микроосадок Pt или Rh для повышения электрокаталитических активности. При освещении на InP выделяется H2; кпд преобразования солнечной энергии в химическую составляет 6-8%. Примеры "жидкостных солнечных батарей": элемент с фотоанодом из GaAs n-типа и щелочным раствором K2Se + K2Se2, элемент с фотоанодом из CuInSe2 и раствором KI+ KI3 + HI; их кпд достигает 12-15%. Наиб. эффективные полупроводниковые фотоэлектроды изготавливают из кремния, фосфида индия, арсенида галлия, теллурида и селенида кадмия.

Литература: Гуревич ЮЛ. [и др.], в кн.: Итога науки н техники, сер. Радиационная химия. Фотохимия, т. 1,М., 1978; Гуревич ЮЛ., Плесков Ю.В., Фотоаиектрохимия полупроводников, M., 1983; Плесков Ю.В., Фотоэлектемпературохимическое преобразование солнечной энергии, M., 1990. Ю.В. Плесков.

Химическая энциклопедия. Том 5 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
компьтерная графика курсы в вао
прожилки крови в моче
бокалы для шампанского купить недорого
какой сигвей лучше выбрать

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(05.12.2016)