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Floating perovskite-BiVO4 devices for scalable solar fuel production

材料科学 太阳能燃料 钙钛矿(结构) 催化作用 纳米技术 氧化铟锡 光电子学 化学工程 光催化 薄膜 化学 生物化学 工程类
作者
Virgil Andrei,Geani Maria Ucoski,Chanon Pornrungroj,Chawit Uswachoke,Qian Wang,Demetra S. Achilleos,Hatice Kasap,Katarzyna P. Sokol,Robert A. Jagt,Haijiao Lu,Takashi Lawson,Andreas Wagner,Sebastian D. Pike,Dominic S. Wright,Robert L. Z. Hoye,Judith L. MacManus‐Driscoll,Hannah J. Joyce,Richard H. Friend,Erwin Reisner
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:608 (7923): 518-522 被引量:277
标识
DOI:10.1038/s41586-022-04978-6
摘要

Photoelectrochemical (PEC) artificial leaves hold the potential to lower the costs of sustainable solar fuel production by integrating light harvesting and catalysis within one compact device. However, current deposition techniques limit their scalability1, whereas fragile and heavy bulk materials can affect their transport and deployment. Here we demonstrate the fabrication of lightweight artificial leaves by employing thin, flexible substrates and carbonaceous protection layers. Lead halide perovskite photocathodes deposited onto indium tin oxide-coated polyethylene terephthalate achieved an activity of 4,266 µmol H2 g−1 h−1 using a platinum catalyst, whereas photocathodes with a molecular Co catalyst for CO2 reduction attained a high CO:H2 selectivity of 7.2 under lower (0.1 sun) irradiation. The corresponding lightweight perovskite-BiVO4 PEC devices showed unassisted solar-to-fuel efficiencies of 0.58% (H2) and 0.053% (CO), respectively. Their potential for scalability is demonstrated by 100 cm2 stand-alone artificial leaves, which sustained a comparable performance and stability (of approximately 24 h) to their 1.7 cm2 counterparts. Bubbles formed under operation further enabled 30–100 mg cm−2 devices to float, while lightweight reactors facilitated gas collection during outdoor testing on a river. This leaf-like PEC device bridges the gulf in weight between traditional solar fuel approaches, showcasing activities per gram comparable to those of photocatalytic suspensions and plant leaves. The presented lightweight, floating systems may enable open-water applications, thus avoiding competition with land use. This work introduces lightweight, leaf-like photoelectrochemical devices for unassisted water splitting and syngas production, which could be used in the fabrication of floating systems for solar fuel production.
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