फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल: Difference between revisions

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{{Short description|Sources of electricity or hydrogen via electrolysis}}
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एक फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल डिवाइस के दो अलग-अलग वर्गों में से एक है। [[डाई-संवेदीकृत [[सौर सेल]]]]|डाई-सेंसिटाइज़्ड फोटोवोल्टिक सेल के समान पहली बिजली उत्पादन, जो [[सौर कोशिकाएं]] की मानक परिभाषा को पूरा करता है। दूसरा एक फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल है, यानी एक उपकरण जो एक इलेक्ट्रोलाइटिक समाधान में डूबे [[photosensitizer]], [[ अर्धचालक ]], या जलीय [[विद्युत कंडक्टर]] पर प्रकाश की घटना का उपयोग करता है, जो सीधे रासायनिक प्रतिक्रिया का कारण बनता है, उदाहरण के लिए पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से [[हाइड्रोजन]] का उत्पादन करना।
फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल डिवाइस के दो अलग-अलग वर्गों में से एक है। डाई-संवेदीकृत [[सौर सेल]] डाई-सेंसिटाइज़्ड फोटोवोल्टिक सेल के समान पहली बिजली उत्पादन, जो [[सौर कोशिकाएं]] की मानक परिभाषा को पूरा करता है। दूसरा फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल है, यानी उपकरण जो इलेक्ट्रोलाइटिक समाधान में डूबे [[photosensitizer]], [[ अर्धचालक ]], या जलीय [[विद्युत कंडक्टर]] पर प्रकाश की घटना का उपयोग करता है, जो सीधे रासायनिक प्रतिक्रिया का कारण बनता है, उदाहरण के लिए पानी के इलेक्ट्रोलिसिस के माध्यम से [[हाइड्रोजन]] का उत्पादन करना।
    
    
दोनों प्रकार के उपकरण सौर कोशिकाओं की किस्में हैं, जिसमें एक फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल का कार्य [[प्रकाश विद्युत प्रभाव]] (या, बहुत समान रूप से, [[फोटोवोल्टिक प्रभाव]]) का उपयोग [[विद्युत चुम्बकीय विकिरण]] (आमतौर पर सूर्य के प्रकाश) को या तो सीधे विद्युत शक्ति में या किसी ऐसी चीज में परिवर्तित करना है जो विद्युत शक्ति का उत्पादन करने के लिए आसानी से इस्तेमाल किया जा सकता है (हाइड्रोजन, उदाहरण के लिए, [[हाइड्रोजन ईंधन]] में जलाया जा सकता है, [[ photohydrogen ]] देखें)।
दोनों प्रकार के उपकरण सौर कोशिकाओं की किस्में हैं, जिसमें फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल का कार्य [[प्रकाश विद्युत प्रभाव]] (या, बहुत समान रूप से, [[फोटोवोल्टिक प्रभाव]]) का उपयोग [[विद्युत चुम्बकीय विकिरण]] (आमतौर पर सूर्य के प्रकाश) को या तो सीधे विद्युत शक्ति में या किसी ऐसी चीज में परिवर्तित करना है जो विद्युत शक्ति का उत्पादन करने के लिए आसानी से इस्तेमाल किया जा सकता है (हाइड्रोजन, उदाहरण के लिए, [[हाइड्रोजन ईंधन]] में जलाया जा सकता है, [[ photohydrogen ]] देखें)।


== दो सिद्धांत ==
== दो सिद्धांत ==
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मानक सौर कोशिकाओं में संचालन के रूप में मानक फोटोवोल्टिक प्रभाव में अर्धचालक माध्यम के भीतर नकारात्मक चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉनों) का उत्तेजना शामिल होता है, और यह नकारात्मक चार्ज वाहक (मुक्त इलेक्ट्रॉन) होता है जो अंततः बिजली उत्पादन के लिए निकाला जाता है। फोटोइलेक्ट्रॉनिक कोशिकाओं का वर्गीकरण जिसमें डाई-संवेदी सौर सेल शामिल हैं। ग्रैट्ज़ेल कोशिकाएं इस संकीर्ण परिभाषा को पूरा करती हैं, हालांकि चार्ज वाहक अक्सर उत्तेजक होते हैं।
मानक सौर कोशिकाओं में संचालन के रूप में मानक फोटोवोल्टिक प्रभाव में अर्धचालक माध्यम के भीतर नकारात्मक चार्ज वाहक (इलेक्ट्रॉनों) का उत्तेजना शामिल होता है, और यह नकारात्मक चार्ज वाहक (मुक्त इलेक्ट्रॉन) होता है जो अंततः बिजली उत्पादन के लिए निकाला जाता है। फोटोइलेक्ट्रॉनिक कोशिकाओं का वर्गीकरण जिसमें डाई-संवेदी सौर सेल शामिल हैं। ग्रैट्ज़ेल कोशिकाएं इस संकीर्ण परिभाषा को पूरा करती हैं, हालांकि चार्ज वाहक अक्सर उत्तेजक होते हैं।


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


::::::::::::::<chem>H2O(l) + [hv] + 2h+ -> 2H+ (aq) + 1/2O2(g)</chem>
::::::::::::::<chem>H2O(l) + [hv] + 2h+ -> 2H+ (aq) + 1/2O2(g)</chem>
यह समाधान में धनात्मक आवेश वाहक (प्रोटॉन, यानी H + आयन) छोड़ता है, जो तब एक दूसरे प्रोटॉन के साथ बंधता है और हाइड्रोजन गैस बनाने के लिए दो इलेक्ट्रॉनों के साथ जुड़ता है:
यह समाधान में धनात्मक आवेश वाहक (प्रोटॉन, यानी H + आयन) छोड़ता है, जो तब एक दूसरे प्रोटॉन के साथ बंधता है और हाइड्रोजन गैस बनाने के लिए दो इलेक्ट्रॉनों के साथ जुड़ता है:
::::::::::::::<chem>2H+ + 2e- -> H2(g)</chem>
::::::::::::::<chem>2H+ + 2e- -> H2(g)</chem>
एक [[कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण]] फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल का एक और रूप है, उस मामले में आउटपुट आणविक हाइड्रोजन के बजाय कार्बोहाइड्रेट होता है।
[[कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण]] फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल का एक और रूप है, उस मामले में आउटपुट आणविक हाइड्रोजन के बजाय कार्बोहाइड्रेट होता है।


== फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल ==
== फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल ==


[[File:Fotocel.jpg|thumb|right|फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल बैंड आरेख]]ए (जल-विभाजन) फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल [[ इलेक्ट्रोलीज़ ]] पानी को विद्युत चुम्बकीय विकिरण के साथ [[एनोड]] को विकिरणित करके हाइड्रोजन और [[ऑक्सीजन]] गैस में, यानी प्रकाश के साथ। इसे कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के रूप में संदर्भित किया गया है और ईंधन के रूप में उपयोग के लिए हाइड्रोजन में [[सौर ऊर्जा]] को संग्रहीत करने के तरीके के रूप में सुझाया गया है।<ref>{{cite web|title=Photoelectrochemical Water Systems for H2 Production |author=John A. Turner |date=2007-05-17 |publisher=[[National Renewable Energy Laboratory]] |display-authors=etal |url=http://www.nrel.gov/hydrogen/pdfs/41568.pdf |access-date=2011-05-02 |archive-url=https://web.archive.org/web/20110611185053/http://www.nrel.gov/hydrogen/pdfs/41568.pdf |url-status=dead |archive-date=2011-06-11 }}</ref>
[[File:Fotocel.jpg|thumb|right|फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल बैंड आरेख]]ए (जल-विभाजन) फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल [[ इलेक्ट्रोलीज़ ]] पानी को विद्युत चुम्बकीय विकिरण के साथ [[एनोड]] को विकिरणित करके हाइड्रोजन और [[ऑक्सीजन]] गैस में, यानी प्रकाश के साथ। इसे कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के रूप में संदर्भित किया गया है और ईंधन के रूप में उपयोग के लिए हाइड्रोजन में [[सौर ऊर्जा]] को संग्रहीत करने के तरीके के रूप में सुझाया गया है।<ref>{{cite web|title=Photoelectrochemical Water Systems for H2 Production |author=John A. Turner |date=2007-05-17 |publisher=[[National Renewable Energy Laboratory]] |display-authors=etal |url=http://www.nrel.gov/hydrogen/pdfs/41568.pdf |access-date=2011-05-02 |archive-url=https://web.archive.org/web/20110611185053/http://www.nrel.gov/hydrogen/pdfs/41568.pdf |url-status=dead |archive-date=2011-06-11 }}</ref>
आने वाली धूप सिलिकॉन इलेक्ट्रोड की सतह के पास मुक्त इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करती है। ये इलेक्ट्रॉन तारों के माध्यम से स्टेनलेस स्टील इलेक्ट्रोड में प्रवाहित होते हैं, जहां उनमें से चार हाइड्रोजन के दो अणु और 4 OH समूह बनाने के लिए चार पानी के अणुओं के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। ओएच समूह तरल इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से सिलिकॉन इलेक्ट्रोड की सतह पर प्रवाहित होते हैं। वहां वे चार फोटोइलेक्ट्रॉनों से जुड़े चार छेदों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप दो पानी के अणु और एक ऑक्सीजन अणु होते हैं। इल्युमिनेटेड सिलिकॉन इलेक्ट्रोलाइट्स के संपर्क में आने पर तुरंत जंग लगने लगता है। संक्षारण सामग्री का उपभोग करता है और सतहों के गुणों को बाधित करता है और सेल के भीतर इंटरफेस करता है।<ref name=giz1312/>
आने वाली धूप सिलिकॉन इलेक्ट्रोड की सतह के पास मुक्त इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करती है। ये इलेक्ट्रॉन तारों के माध्यम से स्टेनलेस स्टील इलेक्ट्रोड में प्रवाहित होते हैं, जहां उनमें से चार हाइड्रोजन के दो अणु और 4 OH समूह बनाने के लिए चार पानी के अणुओं के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। ओएच समूह तरल इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से सिलिकॉन इलेक्ट्रोड की सतह पर प्रवाहित होते हैं। वहां वे चार फोटोइलेक्ट्रॉनों से जुड़े चार छेदों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप दो पानी के अणु और ऑक्सीजन अणु होते हैं। इल्युमिनेटेड सिलिकॉन इलेक्ट्रोलाइट्स के संपर्क में आने पर तुरंत जंग लगने लगता है। संक्षारण सामग्री का उपभोग करता है और सतहों के गुणों को बाधित करता है और सेल के भीतर इंटरफेस करता है।<ref name=giz1312/>


दो प्रकार के [[प्रकाश रसायन]] सिस्टम [[फोटोकैटलिसिस]] के माध्यम से संचालित होते हैं। एक उत्प्रेरक के रूप में अर्धचालक सतहों का उपयोग करता है। इन उपकरणों में अर्धचालक सतह सौर ऊर्जा को अवशोषित करती है और पानी के विभाजन के लिए एक इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करती है। अन्य कार्यप्रणाली उत्प्रेरक के रूप में इन-सॉल्यूशन मेटल कॉम्प्लेक्स का उपयोग करती है।<ref>{{cite book |last=Berinstein |first=Paula |title=Alternative energy: facts, statistics, and issues |publisher=[[Greenwood Publishing Group]] |date=2001-06-30 |isbn=1-57356-248-3 |quote=एक अन्य फोटोइलेक्ट्रॉनिक विधि में एक उत्प्रेरक के रूप में भंग धातु परिसरों का उपयोग करना शामिल है, जो ऊर्जा को अवशोषित करता है और एक विद्युत आवेश पृथक्करण बनाता है जो जल-विभाजन प्रतिक्रिया को चलाता है।|url-access=registration |url=https://archive.org/details/alternativeenerg0000beri}}</ref><ref>{{Cite journal| doi = 10.1149/1.2946478| title=GaInPN एपिलेयर्स का फोटोइलेक्ट्रॉनिक लक्षण वर्णन और स्थायित्व विश्लेषण| year=2008| last1=Deutsch| first1=T. G.| last2=Head| first2=J. L.| last3=Turner| first3=J. A.| journal=Journal of the Electrochemical Society| volume=155| issue=9| pages=B903| bibcode=2008JElS..155B.903D| url=https://zenodo.org/record/894659}}</ref>
दो प्रकार के [[प्रकाश रसायन]] सिस्टम [[फोटोकैटलिसिस]] के माध्यम से संचालित होते हैं। उत्प्रेरक के रूप में अर्धचालक सतहों का उपयोग करता है। इन उपकरणों में अर्धचालक सतह सौर ऊर्जा को अवशोषित करती है और पानी के विभाजन के लिए इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करती है। अन्य कार्यप्रणाली उत्प्रेरक के रूप में इन-सॉल्यूशन मेटल कॉम्प्लेक्स का उपयोग करती है।<ref>{{cite book |last=Berinstein |first=Paula |title=Alternative energy: facts, statistics, and issues |publisher=[[Greenwood Publishing Group]] |date=2001-06-30 |isbn=1-57356-248-3 |quote=एक अन्य फोटोइलेक्ट्रॉनिक विधि में एक उत्प्रेरक के रूप में भंग धातु परिसरों का उपयोग करना शामिल है, जो ऊर्जा को अवशोषित करता है और एक विद्युत आवेश पृथक्करण बनाता है जो जल-विभाजन प्रतिक्रिया को चलाता है।|url-access=registration |url=https://archive.org/details/alternativeenerg0000beri}}</ref><ref>{{Cite journal| doi = 10.1149/1.2946478| title=GaInPN एपिलेयर्स का फोटोइलेक्ट्रॉनिक लक्षण वर्णन और स्थायित्व विश्लेषण| year=2008| last1=Deutsch| first1=T. G.| last2=Head| first2=J. L.| last3=Turner| first3=J. A.| journal=Journal of the Electrochemical Society| volume=155| issue=9| pages=B903| bibcode=2008JElS..155B.903D| url=https://zenodo.org/record/894659}}</ref>
Photoelectrolytic कोशिकाओं ने 10 प्रतिशत [[आर्थिक दक्षता]] बाधा पार कर ली है। पानी के साथ सीधे संपर्क के कारण [[अर्धचालक]]ों का क्षरण एक मुद्दा बना हुआ है।<ref>{{cite web |url=http://today.slac.stanford.edu/feature/hydrogen2.asp |title=एक बड़ी समस्या का सूक्ष्म समाधान|author=Brad Plummer |date=2006-08-10 |work=SLAC Today |publisher=[[SLAC National Accelerator Laboratory]] |access-date=2011-05-02}}</ref> संयुक्त राज्य अमेरिका के ऊर्जा विभाग द्वारा स्थापित एक आवश्यकता, 10000 घंटे के [[सेवा जीवन]] तक पहुंचने के लिए अनुसंधान अब जारी है।<ref>{{Cite journal| doi=10.1149/1.2832397| journal=ECS Transactions| year=2008| last1=Wang| first1=H.| title=Direct Water Splitting Under Visible Light with a Nanostructured Photoanode and GaInP2 Photocathode| volume=6| last2=Deutsch| first2=T.| last3=Turner| first3=J. A. A.| issue=17| page=37| bibcode=2008ECSTr...6q..37W| s2cid=135984508}}</ref>
Photoelectrolytic कोशिकाओं ने 10 प्रतिशत [[आर्थिक दक्षता]] बाधा पार कर ली है। पानी के साथ सीधे संपर्क के कारण [[अर्धचालक]]ों का क्षरण मुद्दा बना हुआ है।<ref>{{cite web |url=http://today.slac.stanford.edu/feature/hydrogen2.asp |title=एक बड़ी समस्या का सूक्ष्म समाधान|author=Brad Plummer |date=2006-08-10 |work=SLAC Today |publisher=[[SLAC National Accelerator Laboratory]] |access-date=2011-05-02}}</ref> संयुक्त राज्य अमेरिका के ऊर्जा विभाग द्वारा स्थापित आवश्यकता, 10000 घंटे के [[सेवा जीवन]] तक पहुंचने के लिए अनुसंधान अब जारी है।<ref>{{Cite journal| doi=10.1149/1.2832397| journal=ECS Transactions| year=2008| last1=Wang| first1=H.| title=Direct Water Splitting Under Visible Light with a Nanostructured Photoanode and GaInP2 Photocathode| volume=6| last2=Deutsch| first2=T.| last3=Turner| first3=J. A. A.| issue=17| page=37| bibcode=2008ECSTr...6q..37W| s2cid=135984508}}</ref>




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


जबकि सूचीबद्ध आवश्यकताओं को आम तौर पर लागू किया जा सकता है, फोटोएनोड्स और फोटोकैथोड्स की थोड़ी अलग जरूरतें होती हैं। एक अच्छे फोटोकैथोड में ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (कम अतिपरासारी), संतृप्ति पर एक बड़ी फोटोक्रेक्ट, और शुरुआत में फोटोक्रेक्ट की तेजी से वृद्धि की शुरुआत होगी। दूसरी ओर, अच्छे फोटोएनोड्स में हाई करंट और तेजी से फोटोकरंट ग्रोथ के अलावा हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन की शुरुआती शुरुआत होगी। वर्तमान को अधिकतम करने के लिए, एनोड और कैथोड सामग्री को एक साथ मिलान करने की आवश्यकता है; एक कैथोड सामग्री के लिए सबसे अच्छा एनोड दूसरे के लिए सबसे अच्छा नहीं हो सकता है।
जबकि सूचीबद्ध आवश्यकताओं को आम तौर पर लागू किया जा सकता है, फोटोएनोड्स और फोटोकैथोड्स की थोड़ी अलग जरूरतें होती हैं। अच्छे फोटोकैथोड में ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (कम अतिपरासारी), संतृप्ति पर बड़ी फोटोक्रेक्ट, और शुरुआत में फोटोक्रेक्ट की तेजी से वृद्धि की शुरुआत होगी। दूसरी ओर, अच्छे फोटोएनोड्स में हाई करंट और तेजी से फोटोकरंट ग्रोथ के अलावा हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन की शुरुआती शुरुआत होगी। वर्तमान को अधिकतम करने के लिए, एनोड और कैथोड सामग्री को एक साथ मिलान करने की आवश्यकता है; कैथोड सामग्री के लिए सबसे अच्छा एनोड दूसरे के लिए सबसे अच्छा नहीं हो सकता है।


==={{chem|TiO|2}}===
==={{chem|TiO|2}}===
1967 में, [[अकीरा फुजिशिमा]] ने [[होंडा फुजिशिमा एफे सीटी]], (टाइटेनियम डाइऑक्साइड के फोटोकैटलिटिक गुण) की खोज की।
1967 में, [[अकीरा फुजिशिमा]] ने [[होंडा फुजिशिमा एफे सीटी]], (टाइटेनियम डाइऑक्साइड के फोटोकैटलिटिक गुण) की खोज की।


टाइटेनियम डाइऑक्साइड |{{chem|TiO|2}} और अन्य धातु आक्साइड अभी भी सबसे प्रमुख हैं<ref>A. Fujishima, K. Honda, S. Kikuchi, Kogyo Kagaku Zasshi 72 (1969) 108–113</ref> दक्षता कारणों के लिए उत्प्रेरक। स्ट्रोंटियम टाइटेनेट सहित |{{chem|SrTiO|3}} और बेरियम टाइटेनेट |{{chem|BaTiO|3}},<ref>{{Cite journal| doi=10.1016/0022-4596(85)90296-8| title=फोटोइलेक्ट्रॉनिक कोशिकाओं में लागू अर्धचालक टाइटनेट्स की फोटोल्यूमिनेसेंस पर| first3=G.| last3=Blasse| author-link3= George Blasse| first2=A. J.| year=1985| last2=De Vries| last1=De Haart| first1=L.| journal=Journal of Solid State Chemistry| volume=59| issue=3| pages=291–300| bibcode=1985JSSCh..59..291D}}</ref> इस तरह के सेमीकंडक्टिंग [[टाइनेट]], [[चालन बैंड]] में मुख्य रूप से टाइटेनियम 3डी कैरेक्टर और [[संयोजी बंध]] ऑक्सीजन 2p कैरेक्टर होते हैं। बैंड कम से कम 3 ईवी के एक विस्तृत बैंड अंतराल से अलग होते हैं, ताकि ये सामग्री केवल [[पराबैंगनी]] को अवशोषित कर सकें।
टाइटेनियम डाइऑक्साइड |{{chem|TiO|2}} और अन्य धातु आक्साइड अभी भी सबसे प्रमुख हैं<ref>A. Fujishima, K. Honda, S. Kikuchi, Kogyo Kagaku Zasshi 72 (1969) 108–113</ref> दक्षता कारणों के लिए उत्प्रेरक। स्ट्रोंटियम टाइटेनेट सहित |{{chem|SrTiO|3}} और बेरियम टाइटेनेट |{{chem|BaTiO|3}},<ref>{{Cite journal| doi=10.1016/0022-4596(85)90296-8| title=फोटोइलेक्ट्रॉनिक कोशिकाओं में लागू अर्धचालक टाइटनेट्स की फोटोल्यूमिनेसेंस पर| first3=G.| last3=Blasse| author-link3= George Blasse| first2=A. J.| year=1985| last2=De Vries| last1=De Haart| first1=L.| journal=Journal of Solid State Chemistry| volume=59| issue=3| pages=291–300| bibcode=1985JSSCh..59..291D}}</ref> इस तरह के सेमीकंडक्टिंग [[टाइनेट]], [[चालन बैंड]] में मुख्य रूप से टाइटेनियम 3डी कैरेक्टर और [[संयोजी बंध]] ऑक्सीजन 2p कैरेक्टर होते हैं। बैंड कम से कम 3 ईवी के विस्तृत बैंड अंतराल से अलग होते हैं, ताकि ये सामग्री केवल [[पराबैंगनी]] को अवशोषित कर सकें।


का परिवर्तन {{chem|TiO|2}} प्रदर्शन को और बेहतर बनाने के लिए माइक्रोस्ट्रक्चर की भी जांच की गई है। 2002 में, गुएरा (नैनोप्टेक कॉर्पोरेशन) ने पाया कि सूक्ष्म से नैनो-संरचित टेम्प्लेट पर बनी सेमीकंडक्टर फिल्मों में उच्च स्थानीय तनाव को प्रेरित किया जा सकता है, और यह तनाव टाइटेनियम डाइऑक्साइड के मामले में सेमीकंडक्टर के बैंडगैप को दृश्यमान नीले रंग में स्थानांतरित कर देता है। .<ref>U.S. Patent No. 7,485,799: Stress-induced bandgap-shifted semiconductor photoelectrolytic/photocatalytic/photovoltaic surface and method for making same; John M. Guerra, February 2009.</ref> यह आगे पाया गया (थुलिन और गुएरा, 2008) कि तनाव ने हाइड्रोजन विकास क्षमता को ओवरले करने के लिए बैंड-किनारों को भी अनुकूल रूप से स्थानांतरित कर दिया, और आगे भी यह कि कम चार्ज पुनर्संयोजन दर और उच्च क्वांटम दक्षता के लिए तनाव में छेद की गतिशीलता में सुधार हुआ।<ref>{{Cite journal |last1=Thulin |first1=Lukas |last2=Guerra |first2=John |date=2008-05-14 |title=<nowiki>Calculations of strain-modified anatase ${\text{TiO}}_{2}$ band structures</nowiki> |journal=Physical Review B |volume=77 |issue=19 |pages=195112 |doi=10.1103/PhysRevB.77.195112}}</ref> चांडेकर ने नैनो-संरचित टेम्पलेट और तनावपूर्ण टाइटेनियम डाइऑक्साइड कोटिंग दोनों का उत्पादन करने के लिए कम लागत वाली स्केलेबल निर्माण प्रक्रिया विकसित की।<ref>U.S. Patent No.8,673,399: Bandgap-shifted semiconductor surface and method for making same, and apparatus for using same; John M. Guerra, Lukas M. Thulin, Amol N. Chandekar; March 18, 2014; assigned to Nanoptek Corp.</ref> अन्य रूपात्मक जांच में शामिल हैं {{chem|TiO|2}} नैनोवायर सरणियाँ या झरझरा नैनोक्रिस्टलाइन {{chem|TiO|2}} फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल।<ref>{{Cite journal| doi=10.1021/jp9616573| title=Electron Transport in Porous Nanocrystalline TiO<sub>2</sub> Photoelectrochemical Cells| year=1996| last1=Cao| first1=F.| last2=Oskam |first2=G.| last3=Meyer| first3=G. J.| last4=Searson| first4=P. C.| journal=The Journal of Physical Chemistry| volume=100| issue=42| pages=17021–17027}}</ref>
का परिवर्तन {{chem|TiO|2}} प्रदर्शन को और बेहतर बनाने के लिए माइक्रोस्ट्रक्चर की भी जांच की गई है। 2002 में, गुएरा (नैनोप्टेक कॉर्पोरेशन) ने पाया कि सूक्ष्म से नैनो-संरचित टेम्प्लेट पर बनी सेमीकंडक्टर फिल्मों में उच्च स्थानीय तनाव को प्रेरित किया जा सकता है, और यह तनाव टाइटेनियम डाइऑक्साइड के मामले में सेमीकंडक्टर के बैंडगैप को दृश्यमान नीले रंग में स्थानांतरित कर देता है। .<ref>U.S. Patent No. 7,485,799: Stress-induced bandgap-shifted semiconductor photoelectrolytic/photocatalytic/photovoltaic surface and method for making same; John M. Guerra, February 2009.</ref> यह आगे पाया गया (थुलिन और गुएरा, 2008) कि तनाव ने हाइड्रोजन विकास क्षमता को ओवरले करने के लिए बैंड-किनारों को भी अनुकूल रूप से स्थानांतरित कर दिया, और आगे भी यह कि कम चार्ज पुनर्संयोजन दर और उच्च क्वांटम दक्षता के लिए तनाव में छेद की गतिशीलता में सुधार हुआ।<ref>{{Cite journal |last1=Thulin |first1=Lukas |last2=Guerra |first2=John |date=2008-05-14 |title=<nowiki>Calculations of strain-modified anatase ${\text{TiO}}_{2}$ band structures</nowiki> |journal=Physical Review B |volume=77 |issue=19 |pages=195112 |doi=10.1103/PhysRevB.77.195112}}</ref> चांडेकर ने नैनो-संरचित टेम्पलेट और तनावपूर्ण टाइटेनियम डाइऑक्साइड कोटिंग दोनों का उत्पादन करने के लिए कम लागत वाली स्केलेबल निर्माण प्रक्रिया विकसित की।<ref>U.S. Patent No.8,673,399: Bandgap-shifted semiconductor surface and method for making same, and apparatus for using same; John M. Guerra, Lukas M. Thulin, Amol N. Chandekar; March 18, 2014; assigned to Nanoptek Corp.</ref> अन्य रूपात्मक जांच में शामिल हैं {{chem|TiO|2}} नैनोवायर सरणियाँ या झरझरा नैनोक्रिस्टलाइन {{chem|TiO|2}} फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल।<ref>{{Cite journal| doi=10.1021/jp9616573| title=Electron Transport in Porous Nanocrystalline TiO<sub>2</sub> Photoelectrochemical Cells| year=1996| last1=Cao| first1=F.| last2=Oskam |first2=G.| last3=Meyer| first3=G. J.| last4=Searson| first4=P. C.| journal=The Journal of Physical Chemistry| volume=100| issue=42| pages=17021–17027}}</ref>
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=== गण ===
=== गण ===
GaN एक अन्य विकल्प है, क्योंकि धातु नाइट्राइड में आमतौर पर एक संकीर्ण बैंड गैप होता है जो लगभग पूरे सौर स्पेक्ट्रम को घेर सकता है।<ref>{{Cite journal |last1=Wang |first1=D. |last2=Pierre |first2=A. |last3=Kibria |first3=M. G. |last4=Cui |first4=K. |last5=Han |first5=X. |last6=Bevan |first6=K. H. |last7=Guo |first7=H. |last8=Paradis |first8=S. |last9=Hakima |first9=A. R. |doi=10.1021/nl2006802 |last10=Mi |first10=Z. |title=मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी द्वारा विकसित GaN नैनोवायर एरे पर वेफर-लेवल फोटोकैटलिटिक वाटर स्प्लिटिंग|journal=Nano Letters |volume=11 |issue=6 |pages=2353–2357 |year=2011 |pmid=21568321| bibcode=2011NanoL..11.2353W}}</ref> GaN की तुलना में संकरा बैंड गैप है {{chem|TiO|2}} लेकिन अभी भी इतना बड़ा है कि सतह पर पानी का बंटवारा हो सके। GaN नैनोवायरों ने GaN पतली फिल्मों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन किया, क्योंकि उनके पास एक बड़ा सतह क्षेत्र है और एक उच्च एकल क्रिस्टलीयता है जो लंबे समय तक इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी जीवनकाल की अनुमति देता है।<ref>{{cite journal|author1=Hye Song Jung|author2=Young Joon Hong |author3=Yirui Li |author4=Jeonghui Cho |author5=Young-Jin Kim |author6=Gyu-Chui Yi |title=GaN Nanowires का उपयोग करके फोटोकैटलिसिस|journal=ACS Nano|year=2008|volume=2|issue=4|pages=637–642 |doi=10.1021/nn700320y |pmid=19206593}}</ref> इस बीच, अन्य गैर-ऑक्साइड अर्धचालक जैसे [[गैलियम आर्सेनाइड]], मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड|{{chem|MoS|2}}, {{chem|WSe|2}} और {{chem|MoSe|2}} का उपयोग एन-प्रकार के इलेक्ट्रोड के रूप में किया जाता है, क्योंकि फोटोकोरोसियन प्रतिक्रियाओं में रासायनिक और विद्युत रासायनिक चरणों में उनकी स्थिरता होती है।<ref>{{Cite journal| doi=10.1016/0165-1633(81)90068-X| title=Efficient and stable photoelectrochemical cells constructed with WSe2 and MoSe2 photoanodes| year=1981| last1=Kline| first1=G.| last2=Kam| first2=K.| last3=Canfield| first3=D.| last4=Parkinson| first4=B.| journal=Solar Energy Materials| volume=4| issue=3| pages=301–308| bibcode=1981SoEnM...4..301K}}</ref>
GaN अन्य विकल्प है, क्योंकि धातु नाइट्राइड में आमतौर पर संकीर्ण बैंड गैप होता है जो लगभग पूरे सौर स्पेक्ट्रम को घेर सकता है।<ref>{{Cite journal |last1=Wang |first1=D. |last2=Pierre |first2=A. |last3=Kibria |first3=M. G. |last4=Cui |first4=K. |last5=Han |first5=X. |last6=Bevan |first6=K. H. |last7=Guo |first7=H. |last8=Paradis |first8=S. |last9=Hakima |first9=A. R. |doi=10.1021/nl2006802 |last10=Mi |first10=Z. |title=मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी द्वारा विकसित GaN नैनोवायर एरे पर वेफर-लेवल फोटोकैटलिटिक वाटर स्प्लिटिंग|journal=Nano Letters |volume=11 |issue=6 |pages=2353–2357 |year=2011 |pmid=21568321| bibcode=2011NanoL..11.2353W}}</ref> GaN की तुलना में संकरा बैंड गैप है {{chem|TiO|2}} लेकिन अभी भी इतना बड़ा है कि सतह पर पानी का बंटवारा हो सके। GaN नैनोवायरों ने GaN पतली फिल्मों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन किया, क्योंकि उनके पास बड़ा सतह क्षेत्र है और उच्च एकल क्रिस्टलीयता है जो लंबे समय तक इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़ी जीवनकाल की अनुमति देता है।<ref>{{cite journal|author1=Hye Song Jung|author2=Young Joon Hong |author3=Yirui Li |author4=Jeonghui Cho |author5=Young-Jin Kim |author6=Gyu-Chui Yi |title=GaN Nanowires का उपयोग करके फोटोकैटलिसिस|journal=ACS Nano|year=2008|volume=2|issue=4|pages=637–642 |doi=10.1021/nn700320y |pmid=19206593}}</ref> इस बीच, अन्य गैर-ऑक्साइड अर्धचालक जैसे [[गैलियम आर्सेनाइड]], मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड|{{chem|MoS|2}}, {{chem|WSe|2}} और {{chem|MoSe|2}} का उपयोग एन-प्रकार के इलेक्ट्रोड के रूप में किया जाता है, क्योंकि फोटोकोरोसियन प्रतिक्रियाओं में रासायनिक और विद्युत रासायनिक चरणों में उनकी स्थिरता होती है।<ref>{{Cite journal| doi=10.1016/0165-1633(81)90068-X| title=Efficient and stable photoelectrochemical cells constructed with WSe2 and MoSe2 photoanodes| year=1981| last1=Kline| first1=G.| last2=Kam| first2=K.| last3=Canfield| first3=D.| last4=Parkinson| first4=B.| journal=Solar Energy Materials| volume=4| issue=3| pages=301–308| bibcode=1981SoEnM...4..301K}}</ref>




=== सिलिकॉन ===
=== सिलिकॉन ===
2013 में एक सिलिकॉन इलेक्ट्रोड पर निकल के 2 नैनोमीटर के साथ एक सेल, एक स्टेनलेस स्टील इलेक्ट्रोड के साथ जोड़ा गया, [[पोटेशियम बोरेट]] और [[लिथियम बोरेट]] के एक जलीय इलेक्ट्रोलाइट में डूबा हुआ बिना ध्यान देने योग्य जंग के 80 घंटे तक संचालित होता है, बनाम टाइटेनियम डाइऑक्साइड के लिए 8 घंटे। इस प्रक्रिया में, लगभग 150 मिली हाइड्रोजन गैस उत्पन्न हुई, जो लगभग 2 किलोजूल ऊर्जा के भंडारण का प्रतिनिधित्व करती है।<ref name=giz1312>{{cite web |url=http://www.gizmag.com/nickel-coated-silicon-pec-hydrogen-stanford/29810/ |title=Silicon/nickel water splitter could lead to cheaper hydrogen |date=19 November 2013 |publisher=Gizmag.com |access-date=2013-12-29}}</ref><ref>{{Cite journal |last1=Kenney |first1=M. J. |last2=Gong |first2=M. |last3=Li |first3=Y. |last4=Wu |first4=J. Z. |last5=Feng |first5=J. |last6=Lanza |first6=M. |last7=Dai |first7=H. |doi=10.1126/science.1241327 |title=जल ऑक्सीकरण के लिए अल्ट्राथिन निकेल फिल्म्स के साथ निष्क्रिय उच्च-प्रदर्शन सिलिकॉन फोटोएनोड्स|journal=Science |volume=342 |issue=6160 |pages=836–840 |year=2013 |pmid=24233719| bibcode=2013Sci...342..836K |s2cid=206550249}}</ref>
2013 में सिलिकॉन इलेक्ट्रोड पर निकल के 2 नैनोमीटर के साथ सेल, एक स्टेनलेस स्टील इलेक्ट्रोड के साथ जोड़ा गया, [[पोटेशियम बोरेट]] और [[लिथियम बोरेट]] के जलीय इलेक्ट्रोलाइट में डूबा हुआ बिना ध्यान देने योग्य जंग के 80 घंटे तक संचालित होता है, बनाम टाइटेनियम डाइऑक्साइड के लिए 8 घंटे। इस प्रक्रिया में, लगभग 150 मिली हाइड्रोजन गैस उत्पन्न हुई, जो लगभग 2 किलोजूल ऊर्जा के भंडारण का प्रतिनिधित्व करती है।<ref name=giz1312>{{cite web |url=http://www.gizmag.com/nickel-coated-silicon-pec-hydrogen-stanford/29810/ |title=Silicon/nickel water splitter could lead to cheaper hydrogen |date=19 November 2013 |publisher=Gizmag.com |access-date=2013-12-29}}</ref><ref>{{Cite journal |last1=Kenney |first1=M. J. |last2=Gong |first2=M. |last3=Li |first3=Y. |last4=Wu |first4=J. Z. |last5=Feng |first5=J. |last6=Lanza |first6=M. |last7=Dai |first7=H. |doi=10.1126/science.1241327 |title=जल ऑक्सीकरण के लिए अल्ट्राथिन निकेल फिल्म्स के साथ निष्क्रिय उच्च-प्रदर्शन सिलिकॉन फोटोएनोड्स|journal=Science |volume=342 |issue=6160 |pages=836–840 |year=2013 |pmid=24233719| bibcode=2013Sci...342..836K |s2cid=206550249}}</ref>




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==== हेमेटाइट ====
==== हेमेटाइट ====
[[File:Hematite structure.jpg|250px|thumb|हेमेटाइट संरचना]]शोधकर्ताओं ने हेमेटाइट (α-Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) पीईसी जल-विभाजन उपकरणों में इसकी कम लागत, एन-टाइप डोप होने की क्षमता और बैंड गैप (2.2eV) के कारण। हालांकि, प्रदर्शन खराब चालकता और क्रिस्टल अनिसोट्रॉपी से ग्रस्त है।<ref>{{cite journal |last1=Iordanova |first1=N. |last2=Dupuis |first2=M. |last3=Rosso |first3=K. M. |title=Charge transport in metal oxides: A theoretical study of hematite α-Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |journal=The Journal of Chemical Physics |date=8 April 2005 |volume=122 |issue=14 |pages=144305 |doi=10.1063/1.1869492|pmid=15847520 |bibcode=2005JChPh.122n4305I}}</ref> कुछ शोधकर्ताओं ने सतह पर सह-उत्प्रेरक की एक परत बनाकर उत्प्रेरक गतिविधि को बढ़ाया है। सह-उत्प्रेरक में कोबाल्ट-फॉस्फेट शामिल हैं<ref>{{cite journal |last1=Zhong |first1=Diane K. |last2=Gamelin |first2=Daniel R. |title=Photoelectrochemical Water Oxidation by Cobalt Catalyst ("Co−Pi")/α-FeO Composite Photoanodes: Oxygen Evolution and Resolution of a Kinetic Bottleneck |journal=Journal of the American Chemical Society |date=31 March 2010 |volume=132 |issue=12 |pages=4202–4207 |doi=10.1021/ja908730h|pmid=20201513 }}</ref> और इरिडियम ऑक्साइड,<ref>{{cite journal |last1=Tilley |first1=S. David |last2=Cornuz |first2=Maurin |last3=Sivula |first3=Kevin |last4=Grätzel |first4=Michael |title=Light-Induced Water Splitting with Hematite: Improved Nanostructure and Iridium Oxide Catalysis |journal=Angewandte Chemie International Edition |date=23 August 2010 |volume=49 |issue=36 |pages=6405–6408 |doi=10.1002/anie.201003110|pmid=20665613 }}</ref> जिसे ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया के लिए अत्यधिक सक्रिय उत्प्रेरक के रूप में जाना जाता है।<ref name="RSC" />
[[File:Hematite structure.jpg|250px|thumb|हेमेटाइट संरचना]]शोधकर्ताओं ने हेमेटाइट (α-Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) पीईसी जल-विभाजन उपकरणों में इसकी कम लागत, एन-टाइप डोप होने की क्षमता और बैंड गैप (2.2eV) के कारण। हालांकि, प्रदर्शन खराब चालकता और क्रिस्टल अनिसोट्रॉपी से ग्रस्त है।<ref>{{cite journal |last1=Iordanova |first1=N. |last2=Dupuis |first2=M. |last3=Rosso |first3=K. M. |title=Charge transport in metal oxides: A theoretical study of hematite α-Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |journal=The Journal of Chemical Physics |date=8 April 2005 |volume=122 |issue=14 |pages=144305 |doi=10.1063/1.1869492|pmid=15847520 |bibcode=2005JChPh.122n4305I}}</ref> कुछ शोधकर्ताओं ने सतह पर सह-उत्प्रेरक की परत बनाकर उत्प्रेरक गतिविधि को बढ़ाया है। सह-उत्प्रेरक में कोबाल्ट-फॉस्फेट शामिल हैं<ref>{{cite journal |last1=Zhong |first1=Diane K. |last2=Gamelin |first2=Daniel R. |title=Photoelectrochemical Water Oxidation by Cobalt Catalyst ("Co−Pi")/α-FeO Composite Photoanodes: Oxygen Evolution and Resolution of a Kinetic Bottleneck |journal=Journal of the American Chemical Society |date=31 March 2010 |volume=132 |issue=12 |pages=4202–4207 |doi=10.1021/ja908730h|pmid=20201513 }}</ref> और इरिडियम ऑक्साइड,<ref>{{cite journal |last1=Tilley |first1=S. David |last2=Cornuz |first2=Maurin |last3=Sivula |first3=Kevin |last4=Grätzel |first4=Michael |title=Light-Induced Water Splitting with Hematite: Improved Nanostructure and Iridium Oxide Catalysis |journal=Angewandte Chemie International Edition |date=23 August 2010 |volume=49 |issue=36 |pages=6405–6408 |doi=10.1002/anie.201003110|pmid=20665613 }}</ref> जिसे ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया के लिए अत्यधिक सक्रिय उत्प्रेरक के रूप में जाना जाता है।<ref name="RSC" />




==== टंगस्टन ऑक्साइड ====
==== टंगस्टन ऑक्साइड ====
[[टंगस्टन (VI) ऑक्साइड]] (WO<sub>3</sub>), जो विभिन्न तापमानों पर कई अलग-अलग बहुरूपता प्रदर्शित करता है, इसकी उच्च चालकता के कारण रुचि है, लेकिन इसमें अपेक्षाकृत व्यापक, अप्रत्यक्ष बैंड गैप (~ 2.7 eV) है, जिसका अर्थ है कि यह अधिकांश सौर स्पेक्ट्रम को अवशोषित नहीं कर सकता है। हालांकि अवशोषण को बढ़ाने के लिए कई प्रयास किए गए हैं, लेकिन वे खराब चालकता का परिणाम देते हैं और इस प्रकार WO<sub>3</sub> पीईसी जल विभाजन के लिए एक व्यवहार्य सामग्री प्रतीत नहीं होती है।<ref name="RSC" />
[[टंगस्टन (VI) ऑक्साइड]] (WO<sub>3</sub>), जो विभिन्न तापमानों पर कई अलग-अलग बहुरूपता प्रदर्शित करता है, इसकी उच्च चालकता के कारण रुचि है, लेकिन इसमें अपेक्षाकृत व्यापक, अप्रत्यक्ष बैंड गैप (~ 2.7 eV) है, जिसका अर्थ है कि यह अधिकांश सौर स्पेक्ट्रम को अवशोषित नहीं कर सकता है। हालांकि अवशोषण को बढ़ाने के लिए कई प्रयास किए गए हैं, लेकिन वे खराब चालकता का परिणाम देते हैं और इस प्रकार WO<sub>3</sub> पीईसी जल विभाजन के लिए व्यवहार्य सामग्री प्रतीत नहीं होती है।<ref name="RSC" />




= बिस्मथ वनाडेट ===
= बिस्मथ वनाडेट ===
जल ऑक्सीकरण क्षमता के साथ एक संकरा, सीधा बैंड गैप (2.4 eV) और उचित बैंड संरेखण के साथ, बिस्मथ वनाडेट का मोनोक्लिनिक रूप|{{chem|BiVO|4}} ने शोधकर्ताओं से रुचि प्राप्त की है।<ref name="RSC" />समय के साथ, यह दिखाया गया है कि वी-रिच<ref>{{cite journal |last1=Berglund |first1=Sean P. |last2=Flaherty |first2=David W. |last3=Hahn |first3=Nathan T. |last4=Bard |first4=Allen J. |last5=Mullins |first5=C. Buddie |title=नैनोसंरचित BiVO फिल्म्स का उपयोग करके पानी का फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण|journal=The Journal of Physical Chemistry C |date=16 February 2011 |volume=115 |issue=9 |pages=3794–3802 |doi=10.1021/jp1109459}}</ref> और कॉम्पैक्ट फिल्में<ref>{{cite journal |last1=Su |first1=Jinzhan |last2=Guo |first2=Liejin |last3=Yoriya |first3=Sorachon |last4=Grimes |first4=Craig A. |title=Aqueous Growth of Pyramidal-Shaped BiVO4 Nanowire Arrays and Structural Characterization: Application to Photoelectrochemical Water Splitting |journal=Crystal Growth & Design |date=3 February 2010 |volume=10 |issue=2 |pages=856–861 |doi=10.1021/cg9012125}}</ref> उच्च फोटोकरंट, या उच्च प्रदर्शन के साथ जुड़े हुए हैं। बिस्मथ वनाडेट का भी सौर के लिए अध्ययन किया गया है <chem>H2</chem> समुद्री जल से पीढ़ी<ref>{{cite journal |last1=Luo |first1=Wenjun |last2=Yang |first2=Zaisan |last3=Li |first3=Zhaosheng |last4=Zhang |first4=Jiyuan |last5=Liu |first5=Jianguo |last6=Zhao |first6=Zongyan |last7=Wang |first7=Zhiqiang |last8=Yan |first8=Shicheng |last9=Yu |first9=Tao |last10=Zou |first10=Zhigang |title=Solar hydrogen generation from seawater with a modified BiVO4 photoanode |journal=Energy & Environmental Science |date=2011 |volume=4 |issue=10 |pages=4046 |doi=10.1039/C1EE01812D}}</ref> जो दूषित आयनों की उपस्थिति और अधिक कठोर संक्षारक वातावरण के कारण अधिक कठिन है।
जल ऑक्सीकरण क्षमता के साथ संकरा, सीधा बैंड गैप (2.4 eV) और उचित बैंड संरेखण के साथ, बिस्मथ वनाडेट का मोनोक्लिनिक रूप|{{chem|BiVO|4}} ने शोधकर्ताओं से रुचि प्राप्त की है।<ref name="RSC" />समय के साथ, यह दिखाया गया है कि वी-रिच<ref>{{cite journal |last1=Berglund |first1=Sean P. |last2=Flaherty |first2=David W. |last3=Hahn |first3=Nathan T. |last4=Bard |first4=Allen J. |last5=Mullins |first5=C. Buddie |title=नैनोसंरचित BiVO फिल्म्स का उपयोग करके पानी का फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण|journal=The Journal of Physical Chemistry C |date=16 February 2011 |volume=115 |issue=9 |pages=3794–3802 |doi=10.1021/jp1109459}}</ref> और कॉम्पैक्ट फिल्में<ref>{{cite journal |last1=Su |first1=Jinzhan |last2=Guo |first2=Liejin |last3=Yoriya |first3=Sorachon |last4=Grimes |first4=Craig A. |title=Aqueous Growth of Pyramidal-Shaped BiVO4 Nanowire Arrays and Structural Characterization: Application to Photoelectrochemical Water Splitting |journal=Crystal Growth & Design |date=3 February 2010 |volume=10 |issue=2 |pages=856–861 |doi=10.1021/cg9012125}}</ref> उच्च फोटोकरंट, या उच्च प्रदर्शन के साथ जुड़े हुए हैं। बिस्मथ वनाडेट का भी सौर के लिए अध्ययन किया गया है <chem>H2</chem> समुद्री जल से पीढ़ी<ref>{{cite journal |last1=Luo |first1=Wenjun |last2=Yang |first2=Zaisan |last3=Li |first3=Zhaosheng |last4=Zhang |first4=Jiyuan |last5=Liu |first5=Jianguo |last6=Zhao |first6=Zongyan |last7=Wang |first7=Zhiqiang |last8=Yan |first8=Shicheng |last9=Yu |first9=Tao |last10=Zou |first10=Zhigang |title=Solar hydrogen generation from seawater with a modified BiVO4 photoanode |journal=Energy & Environmental Science |date=2011 |volume=4 |issue=10 |pages=4046 |doi=10.1039/C1EE01812D}}</ref> जो दूषित आयनों की उपस्थिति और अधिक कठोर संक्षारक वातावरण के कारण अधिक कठिन है।


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


=== प्रतिक्रिया तंत्र ===
=== प्रतिक्रिया तंत्र ===
वह प्रक्रिया जिसके द्वारा एक फोटॉन सीधे रासायनिक प्रतिक्रिया शुरू करता है उसे [[photolysis]] के रूप में जाना जाता है; यदि यह प्रक्रिया एक उत्प्रेरक द्वारा सहायता प्राप्त है, तो इसे फोटोकैटलिसिस कहा जाता है।<ref name=":0">D. Y. Goswami, Principles of solar engineering, 3rd ed. Boca Raton: Taylor & Francis, 2015.</ref> यदि एक फोटॉन में सामग्री के विशिष्ट बैंड गैप से अधिक ऊर्जा होती है, तो यह सामग्री द्वारा अवशोषण पर एक इलेक्ट्रॉन को मुक्त कर सकता है। शेष, सकारात्मक रूप से आवेशित छिद्र और मुक्त इलेक्ट्रॉन पुन: संयोजित हो सकते हैं, गर्मी पैदा कर सकते हैं, या वे आस-पास की प्रजातियों के साथ फोटोरिएक्शन में भाग ले सकते हैं। यदि इन प्रजातियों के साथ फोटोरिएक्शन के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन-दान करने वाली सामग्री का पुनर्जनन होता है- यानी, यदि सामग्री प्रतिक्रियाओं के लिए उत्प्रेरक के रूप में कार्य करती है- तो प्रतिक्रियाओं को फोटोकैटलिटिक माना जाता है। PECO एक प्रकार के फोटोकैटलिसिस का प्रतिनिधित्व करता है जिससे सेमीकंडक्टर-आधारित इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री एक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करती है - उदाहरण के लिए, वायु शोधन प्रणालियों में एक वायुजनित संदूषक का ऑक्सीडेटिव क्षरण।
वह प्रक्रिया जिसके द्वारा फोटॉन सीधे रासायनिक प्रतिक्रिया शुरू करता है उसे [[photolysis]] के रूप में जाना जाता है; यदि यह प्रक्रिया उत्प्रेरक द्वारा सहायता प्राप्त है, तो इसे फोटोकैटलिसिस कहा जाता है।<ref name=":0">D. Y. Goswami, Principles of solar engineering, 3rd ed. Boca Raton: Taylor & Francis, 2015.</ref> यदि फोटॉन में सामग्री के विशिष्ट बैंड गैप से अधिक ऊर्जा होती है, तो यह सामग्री द्वारा अवशोषण पर इलेक्ट्रॉन को मुक्त कर सकता है। शेष, सकारात्मक रूप से आवेशित छिद्र और मुक्त इलेक्ट्रॉन पुन: संयोजित हो सकते हैं, गर्मी पैदा कर सकते हैं, या वे आस-पास की प्रजातियों के साथ फोटोरिएक्शन में भाग ले सकते हैं। यदि इन प्रजातियों के साथ फोटोरिएक्शन के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉन-दान करने वाली सामग्री का पुनर्जनन होता है- यानी, यदि सामग्री प्रतिक्रियाओं के लिए उत्प्रेरक के रूप में कार्य करती है- तो प्रतिक्रियाओं को फोटोकैटलिटिक माना जाता है। PECO प्रकार के फोटोकैटलिसिस का प्रतिनिधित्व करता है जिससे सेमीकंडक्टर-आधारित इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करती है - उदाहरण के लिए, वायु शोधन प्रणालियों में वायुजनित संदूषक का ऑक्सीडेटिव क्षरण।


फोटोइलेक्ट्रोकैटलिसिस का मुख्य उद्देश्य इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस के माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक चार्ज वाहकों के पारित होने के लिए और विशेष रूप से रासायनिक उत्पादों के फोटोइलेक्ट्रॉनिक उत्पादन के लिए कम ऊर्जा सक्रियण मार्ग प्रदान करना है।<ref name=":1">H. Tributsch, "Photoelectrocatalysis," in Photocatalysis: Fundamentals and Applications, N. Serpone and E. Pelizzetti, Eds., ed New York: Wiley-Interscience, 1989, pp. 339-383.</ref> फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण के संबंध में, हम विचार कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, प्रतिक्रियाओं की निम्नलिखित प्रणाली, जो TiO का गठन करती है<sub>2</sub>- उत्प्रेरित ऑक्सीकरण।<ref name=":2">O. Legrini, E. Oliveros, and A. Braun, "Photochemical processes for water treatment," Chemical Reviews, vol. 93, pp. 671-698, 1993.</ref>
फोटोइलेक्ट्रोकैटलिसिस का मुख्य उद्देश्य इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस के माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक चार्ज वाहकों के पारित होने के लिए और विशेष रूप से रासायनिक उत्पादों के फोटोइलेक्ट्रॉनिक उत्पादन के लिए कम ऊर्जा सक्रियण मार्ग प्रदान करना है।<ref name=":1">H. Tributsch, "Photoelectrocatalysis," in Photocatalysis: Fundamentals and Applications, N. Serpone and E. Pelizzetti, Eds., ed New York: Wiley-Interscience, 1989, pp. 339-383.</ref> फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण के संबंध में, हम विचार कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, प्रतिक्रियाओं की निम्नलिखित प्रणाली, जो TiO का गठन करती है<sub>2</sub>- उत्प्रेरित ऑक्सीकरण।<ref name=":2">O. Legrini, E. Oliveros, and A. Braun, "Photochemical processes for water treatment," Chemical Reviews, vol. 93, pp. 671-698, 1993.</ref>
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:चाचा<sub>2</sub>(यह है<sup>−</sup>) + ओ<sub>2</sub> → टीआईओ<sub>2</sub> + ओ<sub>2</sub><sup>.−</sup>
:चाचा<sub>2</sub>(यह है<sup>−</sup>) + ओ<sub>2</sub> → टीआईओ<sub>2</sub> + ओ<sub>2</sub><sup>.−</sup>


यह प्रणाली ऑक्सीडेटिव प्रजातियों के उत्पादन के लिए कई रास्ते दिखाती है जो प्रजातियों के ऑक्सीकरण की सुविधा प्रदान करती है, RX, उत्साहित TiO द्वारा इसके प्रत्यक्ष ऑक्सीकरण के अलावा<sub>2</sub> अपने आप। पीईसीओ ऐसी प्रक्रिया से संबंधित है जहां इलेक्ट्रॉनिक चार्ज वाहक प्रतिक्रिया माध्यम से आसानी से आगे बढ़ने में सक्षम होते हैं, जिससे कुछ हद तक पुनर्मूल्यांकन प्रतिक्रियाएं कम हो जाती हैं जो ऑक्सीडेटिव प्रक्रिया को सीमित कर देती हैं। इस मामले में "फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल" सेमीकंडक्टर उत्प्रेरक के एक बहुत छोटे कण के रूप में सरल हो सकता है। यहाँ, "प्रकाश" पक्ष पर एक प्रजाति ऑक्सीकृत होती है, जबकि "अंधेरे" पक्ष पर एक अलग प्रजाति कम हो जाती है।<ref name="airdis">D. Y. Goswami, "Photoelectrochemical air disinfection " US Patent 7,063,820 B2, 2006.</ref>
यह प्रणाली ऑक्सीडेटिव प्रजातियों के उत्पादन के लिए कई रास्ते दिखाती है जो प्रजातियों के ऑक्सीकरण की सुविधा प्रदान करती है, RX, उत्साहित TiO द्वारा इसके प्रत्यक्ष ऑक्सीकरण के अलावा<sub>2</sub> अपने आप। पीईसीओ ऐसी प्रक्रिया से संबंधित है जहां इलेक्ट्रॉनिक चार्ज वाहक प्रतिक्रिया माध्यम से आसानी से आगे बढ़ने में सक्षम होते हैं, जिससे कुछ हद तक पुनर्मूल्यांकन प्रतिक्रियाएं कम हो जाती हैं जो ऑक्सीडेटिव प्रक्रिया को सीमित कर देती हैं। इस मामले में "फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल" सेमीकंडक्टर उत्प्रेरक के बहुत छोटे कण के रूप में सरल हो सकता है। यहाँ, "प्रकाश" पक्ष पर प्रजाति ऑक्सीकृत होती है, जबकि "अंधेरे" पक्ष पर अलग प्रजाति कम हो जाती है।<ref name="airdis">D. Y. Goswami, "Photoelectrochemical air disinfection " US Patent 7,063,820 B2, 2006.</ref>




=== प्रकाश रासायनिक ऑक्सीकरण (पीसीओ) बनाम पीईसीओ ===
=== प्रकाश रासायनिक ऑक्सीकरण (पीसीओ) बनाम पीईसीओ ===
शास्त्रीय मैक्रोस्कोपिक फोटोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम में काउंटर-इलेक्ट्रोड के साथ विद्युत संपर्क में अर्धचालक होते हैं। बाहरी सेमीकंडक्टर # एन-टाइप सेमीकंडक्टर्स के लिए पर्याप्त रूप से छोटे आयाम के एन-टाइप सेमीकंडक्टर कण, कण एनोडिक और कैथोडिक क्षेत्रों में ध्रुवीकरण करते हैं, प्रभावी रूप से सूक्ष्म फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल बनाते हैं।<ref name=":1" />एक कण की प्रबुद्ध सतह एक [[photooxidation]] प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करती है, जबकि कण का "अंधेरा" पक्ष सहवर्ती कमी की सुविधा देता है।<ref>A. J. Bard, "Photoelectrochemistry and heterogeneous photo-catalysis at semiconductors," Journal of Photochemistry, vol. 10, pp. 59-75, 1979.</ref>
शास्त्रीय मैक्रोस्कोपिक फोटोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम में काउंटर-इलेक्ट्रोड के साथ विद्युत संपर्क में अर्धचालक होते हैं। बाहरी सेमीकंडक्टर # एन-टाइप सेमीकंडक्टर्स के लिए पर्याप्त रूप से छोटे आयाम के एन-टाइप सेमीकंडक्टर कण, कण एनोडिक और कैथोडिक क्षेत्रों में ध्रुवीकरण करते हैं, प्रभावी रूप से सूक्ष्म फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल बनाते हैं।<ref name=":1" /> कण की प्रबुद्ध सतह [[photooxidation]] प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करती है, जबकि कण का "अंधेरा" पक्ष सहवर्ती कमी की सुविधा देता है।<ref>A. J. Bard, "Photoelectrochemistry and heterogeneous photo-catalysis at semiconductors," Journal of Photochemistry, vol. 10, pp. 59-75, 1979.</ref>
फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण को फोटोकैमिकल ऑक्सीकरण (पीसीओ) का एक विशेष मामला माना जा सकता है। फोटोकैमिकल ऑक्सीकरण कट्टरपंथी प्रजातियों की पीढ़ी को मजबूर करता है जो अर्धचालक-उत्प्रेरित प्रणालियों में शामिल इलेक्ट्रोकेमिकल इंटरैक्शन के साथ या बिना ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं को सक्षम करता है, जो फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण में होता है।
फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण को फोटोकैमिकल ऑक्सीकरण (पीसीओ) का विशेष मामला माना जा सकता है। फोटोकैमिकल ऑक्सीकरण कट्टरपंथी प्रजातियों की पीढ़ी को मजबूर करता है जो अर्धचालक-उत्प्रेरित प्रणालियों में शामिल इलेक्ट्रोकेमिकल इंटरैक्शन के साथ या बिना ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं को सक्षम करता है, जो फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण में होता है।


=== अनुप्रयोग ===
=== अनुप्रयोग ===
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PECO ने तूफानी जल और [[अपशिष्ट]] जल दोनों के जल उपचार के लिए वादा दिखाया है। वर्तमान में, [[बायोफिल्ट्रेशन]] तकनीकों के उपयोग जैसे जल उपचार विधियों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। ये प्रौद्योगिकियां निलंबित ठोस, पोषक तत्वों और भारी धातुओं जैसे प्रदूषकों को छानने में प्रभावी हैं, लेकिन शाकनाशियों को हटाने के लिए संघर्ष करती हैं। डाययूरॉन और [[atrazine]] जैसे जड़ी-बूटियों का आमतौर पर उपयोग किया जाता है, और अक्सर तूफान के पानी में समाप्त हो जाते हैं, संभावित स्वास्थ्य जोखिम पैदा करते हैं यदि उनका पुन: उपयोग करने से पहले इलाज नहीं किया जाता है।
PECO ने तूफानी जल और [[अपशिष्ट]] जल दोनों के जल उपचार के लिए वादा दिखाया है। वर्तमान में, [[बायोफिल्ट्रेशन]] तकनीकों के उपयोग जैसे जल उपचार विधियों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। ये प्रौद्योगिकियां निलंबित ठोस, पोषक तत्वों और भारी धातुओं जैसे प्रदूषकों को छानने में प्रभावी हैं, लेकिन शाकनाशियों को हटाने के लिए संघर्ष करती हैं। डाययूरॉन और [[atrazine]] जैसे जड़ी-बूटियों का आमतौर पर उपयोग किया जाता है, और अक्सर तूफान के पानी में समाप्त हो जाते हैं, संभावित स्वास्थ्य जोखिम पैदा करते हैं यदि उनका पुन: उपयोग करने से पहले इलाज नहीं किया जाता है।


PECO अपनी मजबूत ऑक्सीकरण क्षमता के कारण तूफानी जल के उपचार के लिए एक उपयोगी उपाय है। PECO, फोटोकैटलिटिक ऑक्सीडेशन (PCO), और इलेक्ट्रो-कैटेलिटिक ऑक्सीकरण (ECO) जैसे तूफानी पानी में शाकनाशियों के क्षरण के लिए विभिन्न तंत्रों की जांच करते हुए, शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि PECO सबसे अच्छा विकल्प था, जो एक घंटे में डायरॉन के पूर्ण खनिजकरण का प्रदर्शन करता था।<ref>{{Cite journal |last1=Zheng |first1=Zhaozhi |last2=Deletic |first2=Ana |last3=Toe |first3=Cui Ying |last4=Amal |first4=Rose |last5=Zhang |first5=Xiwang |last6=Pickford |first6=Russell |last7=Zhou |first7=Shujie |last8=Zhang |first8=Kefeng |date=2022-08-15 |title=Photo-electrochemical oxidation herbicides removal in stormwater: Degradation mechanism and pathway investigation |journal=Journal of Hazardous Materials |volume=436 |pages=129239 |doi=10.1016/j.jhazmat.2022.129239 |pmid=35739758 |s2cid=249139350 |issn=0304-3894}}</ref> PECO के लिए इस उपयोग में और शोध की आवश्यकता है, क्योंकि यह उस समय में केवल 35% एट्राज़ीन को नीचा दिखाने में सक्षम था, हालाँकि यह आगे बढ़ने का एक आशाजनक समाधान है।
PECO अपनी मजबूत ऑक्सीकरण क्षमता के कारण तूफानी जल के उपचार के लिए उपयोगी उपाय है। PECO, फोटोकैटलिटिक ऑक्सीडेशन (PCO), और इलेक्ट्रो-कैटेलिटिक ऑक्सीकरण (ECO) जैसे तूफानी पानी में शाकनाशियों के क्षरण के लिए विभिन्न तंत्रों की जांच करते हुए, शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि PECO सबसे अच्छा विकल्प था, जो घंटे में डायरॉन के पूर्ण खनिजकरण का प्रदर्शन करता था।<ref>{{Cite journal |last1=Zheng |first1=Zhaozhi |last2=Deletic |first2=Ana |last3=Toe |first3=Cui Ying |last4=Amal |first4=Rose |last5=Zhang |first5=Xiwang |last6=Pickford |first6=Russell |last7=Zhou |first7=Shujie |last8=Zhang |first8=Kefeng |date=2022-08-15 |title=Photo-electrochemical oxidation herbicides removal in stormwater: Degradation mechanism and pathway investigation |journal=Journal of Hazardous Materials |volume=436 |pages=129239 |doi=10.1016/j.jhazmat.2022.129239 |pmid=35739758 |s2cid=249139350 |issn=0304-3894}}</ref> PECO के लिए इस उपयोग में और शोध की आवश्यकता है, क्योंकि यह उस समय में केवल 35% एट्राज़ीन को नीचा दिखाने में सक्षम था, हालाँकि यह आगे बढ़ने का आशाजनक समाधान है।


==== वायु उपचार ====
==== वायु उपचार ====
PECO ने [[वायु शोधन]] के साधन के रूप में भी वादा दिखाया है। गंभीर एलर्जी वाले लोगों के लिए, एयर प्यूरिफायर उनके अपने घरों में एलर्जी से बचाने के लिए महत्वपूर्ण हैं।<ref>{{Cite web |last=King |first=Haldane |date=2019-08-13 |title=PECO v. PCO Air Purifiers: How are they different? - Molekule Blog |url=https://molekule.com/blog/peco-v-pco-air-purifiers-how-are-they-different/ |access-date=2023-01-17 |language=en-US}}</ref> हालांकि, कुछ एलर्जेंस सामान्य शुद्धिकरण विधियों द्वारा हटाए जाने के लिए बहुत छोटे होते हैं। पीईसीओ फिल्टर का उपयोग करने वाले वायु शोधक 0.1 एनएम के रूप में छोटे कणों को हटाने में सक्षम हैं।
PECO ने [[वायु शोधन]] के साधन के रूप में भी वादा दिखाया है। गंभीर एलर्जी वाले लोगों के लिए, एयर प्यूरिफायर उनके अपने घरों में एलर्जी से बचाने के लिए महत्वपूर्ण हैं।<ref>{{Cite web |last=King |first=Haldane |date=2019-08-13 |title=PECO v. PCO Air Purifiers: How are they different? - Molekule Blog |url=https://molekule.com/blog/peco-v-pco-air-purifiers-how-are-they-different/ |access-date=2023-01-17 |language=en-US}}</ref> हालांकि, कुछ एलर्जेंस सामान्य शुद्धिकरण विधियों द्वारा हटाए जाने के लिए बहुत छोटे होते हैं। पीईसीओ फिल्टर का उपयोग करने वाले वायु शोधक 0.1 एनएम के रूप में छोटे कणों को हटाने में सक्षम हैं।


ये फिल्टर फोटॉन के रूप में काम करते हैं, एक फोटोकैटलिस्ट को उत्तेजित करते हैं, [[हाइड्रॉक्सिल रेडिकल]] बनाते हैं, जो बेहद प्रतिक्रियाशील होते हैं और कार्बनिक पदार्थों और सूक्ष्मजीवों को ऑक्सीकरण करते हैं जो एलर्जी के लक्षण पैदा करते हैं, कार्बन डाइऑक्साइड और पानी जैसे हानिरहित उत्पाद बनाते हैं। एलर्जी से पीड़ित रोगियों के साथ इस तकनीक का परीक्षण करने वाले शोधकर्ताओं ने पीईसीओ फिल्टर का उपयोग करने के सिर्फ 4 सप्ताह के बाद नाक (टीएनएसएस) और ओकुलर (टीओएसएस) एलर्जी दोनों के लिए कुल लक्षण स्कोर (टीएसएस) में महत्वपूर्ण कमी को देखते हुए, अपने अध्ययन से आशाजनक निष्कर्ष निकाले।<ref>{{Cite journal |last1=Rao |first1=Nikhil G. |last2=Kumar |first2=Ambuj |last3=Wong |first3=Jenny S. |last4=Shridhar |first4=Ravi |last5=Goswami |first5=Dharendra Y. |date=2018-06-21 |title=नाक और नेत्र संबंधी एलर्जी के लक्षणों पर एक उपन्यास फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल ऑक्सीकरण वायु शोधक का प्रभाव|journal=Allergy & Rhinology |volume=9 |pages=2152656718781609 |doi=10.1177/2152656718781609 |issn=2152-6575 |pmc=6028155 |pmid=29977658}}</ref> यह शोध प्रभावशाली स्वास्थ्य सुधार के लिए मजबूत क्षमता प्रदर्शित करता है जो गंभीर एलर्जी और अस्थमा से पीड़ित हैं।
ये फिल्टर फोटॉन के रूप में काम करते हैं, फोटोकैटलिस्ट को उत्तेजित करते हैं, [[हाइड्रॉक्सिल रेडिकल]] बनाते हैं, जो बेहद प्रतिक्रियाशील होते हैं और कार्बनिक पदार्थों और सूक्ष्मजीवों को ऑक्सीकरण करते हैं जो एलर्जी के लक्षण पैदा करते हैं, कार्बन डाइऑक्साइड और पानी जैसे हानिरहित उत्पाद बनाते हैं। एलर्जी से पीड़ित रोगियों के साथ इस तकनीक का परीक्षण करने वाले शोधकर्ताओं ने पीईसीओ फिल्टर का उपयोग करने के सिर्फ 4 सप्ताह के बाद नाक (टीएनएसएस) और ओकुलर (टीओएसएस) एलर्जी दोनों के लिए कुल लक्षण स्कोर (टीएसएस) में महत्वपूर्ण कमी को देखते हुए, अपने अध्ययन से आशाजनक निष्कर्ष निकाले।<ref>{{Cite journal |last1=Rao |first1=Nikhil G. |last2=Kumar |first2=Ambuj |last3=Wong |first3=Jenny S. |last4=Shridhar |first4=Ravi |last5=Goswami |first5=Dharendra Y. |date=2018-06-21 |title=नाक और नेत्र संबंधी एलर्जी के लक्षणों पर एक उपन्यास फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल ऑक्सीकरण वायु शोधक का प्रभाव|journal=Allergy & Rhinology |volume=9 |pages=2152656718781609 |doi=10.1177/2152656718781609 |issn=2152-6575 |pmc=6028155 |pmid=29977658}}</ref> यह शोध प्रभावशाली स्वास्थ्य सुधार के लिए मजबूत क्षमता प्रदर्शित करता है जो गंभीर एलर्जी और अस्थमा से पीड़ित हैं।


==== हाइड्रोजन उत्पादन ====
==== हाइड्रोजन उत्पादन ====
संभवतः पीईसीओ के लिए सबसे रोमांचक संभावित उपयोग [[नवीकरणीय ऊर्जा]] के स्रोत के रूप में उपयोग किए जाने वाले हाइड्रोजन का उत्पादन कर रहा है। पीईसी कोशिकाओं के भीतर होने वाली फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाएं हाइड्रोजन उत्पादन के लिए पानी के विभाजन की कुंजी हैं। जबकि इस तकनीक के साथ मुख्य चिंता स्थिरता है, तरल पानी के बजाय वाष्प से हाइड्रोजन बनाने के लिए PECO तकनीक का उपयोग करने वाली प्रणालियों ने अधिक स्थिरता के लिए क्षमता का प्रदर्शन किया है। वेपर फेड सिस्टम पर काम करने वाले शुरुआती शोधकर्ताओं ने 14% सौर से हाइड्रोजन (STH) दक्षता के साथ मॉड्यूल विकसित किए, जबकि 1000+ घंटे तक स्थिर रहे।<ref>{{Cite journal |last1=Kistler |first1=Tobias A. |last2=Um |first2=Min Young |last3=Agbo |first3=Peter |date=2020-01-04 |title=Stable Photoelectrochemical Hydrogen Evolution for 1000 h at 14% Efficiency in a Monolithic Vapor-fed Device |journal=Journal of the Electrochemical Society |volume=167 |issue=6 |pages=066502 |doi=10.1149/1945-7111/ab7d93 |bibcode=2020JElS..167f6502K |s2cid=216411125 |issn=0013-4651|doi-access=free }}</ref> हाल ही में, जिनिंग गुओ और उनकी टीम द्वारा विकसित प्रत्यक्ष वायु इलेक्ट्रोलिसिस (डीएई) मॉड्यूल द्वारा प्रदर्शित तकनीकी विकास किया गया है, जो हवा से 99% शुद्ध हाइड्रोजन का उत्पादन करता है और अब तक 8 महीने की स्थिरता का प्रदर्शन किया है।<ref>{{Cite journal |last1=Guo |first1=Jining |last2=Zhang |first2=Yuecheng |last3=Zavabeti |first3=Ali |last4=Chen |first4=Kaifei |last5=Guo |first5=Yalou |last6=Hu |first6=Guoping |last7=Fan |first7=Xiaolei |last8=Li |first8=Gang Kevin |date=2022-09-06 |title=हवा से हाइड्रोजन का उत्पादन|journal=Nature Communications |volume=13 |issue=1 |pages=5046 |doi=10.1038/s41467-022-32652-y |pmid=36068193 |pmc=9448774 |bibcode=2022NatCo..13.5046G |issn=2041-1723}}</ref> जल और वायु उपचार और हाइड्रोजन उत्पादन जैसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए PECO का उपयोग करके अनुसंधान और तकनीकी उन्नति का वादा करने से पता चलता है कि यह एक मूल्यवान उपकरण है जिसका उपयोग विभिन्न तरीकों से किया जा सकता है।
संभवतः पीईसीओ के लिए सबसे रोमांचक संभावित उपयोग [[नवीकरणीय ऊर्जा]] के स्रोत के रूप में उपयोग किए जाने वाले हाइड्रोजन का उत्पादन कर रहा है। पीईसी कोशिकाओं के भीतर होने वाली फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाएं हाइड्रोजन उत्पादन के लिए पानी के विभाजन की कुंजी हैं। जबकि इस तकनीक के साथ मुख्य चिंता स्थिरता है, तरल पानी के बजाय वाष्प से हाइड्रोजन बनाने के लिए PECO तकनीक का उपयोग करने वाली प्रणालियों ने अधिक स्थिरता के लिए क्षमता का प्रदर्शन किया है। वेपर फेड सिस्टम पर काम करने वाले शुरुआती शोधकर्ताओं ने 14% सौर से हाइड्रोजन (STH) दक्षता के साथ मॉड्यूल विकसित किए, जबकि 1000+ घंटे तक स्थिर रहे।<ref>{{Cite journal |last1=Kistler |first1=Tobias A. |last2=Um |first2=Min Young |last3=Agbo |first3=Peter |date=2020-01-04 |title=Stable Photoelectrochemical Hydrogen Evolution for 1000 h at 14% Efficiency in a Monolithic Vapor-fed Device |journal=Journal of the Electrochemical Society |volume=167 |issue=6 |pages=066502 |doi=10.1149/1945-7111/ab7d93 |bibcode=2020JElS..167f6502K |s2cid=216411125 |issn=0013-4651|doi-access=free }}</ref> हाल ही में, जिनिंग गुओ और उनकी टीम द्वारा विकसित प्रत्यक्ष वायु इलेक्ट्रोलिसिस (डीएई) मॉड्यूल द्वारा प्रदर्शित तकनीकी विकास किया गया है, जो हवा से 99% शुद्ध हाइड्रोजन का उत्पादन करता है और अब तक 8 महीने की स्थिरता का प्रदर्शन किया है।<ref>{{Cite journal |last1=Guo |first1=Jining |last2=Zhang |first2=Yuecheng |last3=Zavabeti |first3=Ali |last4=Chen |first4=Kaifei |last5=Guo |first5=Yalou |last6=Hu |first6=Guoping |last7=Fan |first7=Xiaolei |last8=Li |first8=Gang Kevin |date=2022-09-06 |title=हवा से हाइड्रोजन का उत्पादन|journal=Nature Communications |volume=13 |issue=1 |pages=5046 |doi=10.1038/s41467-022-32652-y |pmid=36068193 |pmc=9448774 |bibcode=2022NatCo..13.5046G |issn=2041-1723}}</ref> जल और वायु उपचार और हाइड्रोजन उत्पादन जैसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए PECO का उपयोग करके अनुसंधान और तकनीकी उन्नति का वादा करने से पता चलता है कि यह मूल्यवान उपकरण है जिसका उपयोग विभिन्न तरीकों से किया जा सकता है।


=== इतिहास ===
=== इतिहास ===

Revision as of 10:39, 16 May 2023

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

दोनों प्रकार के उपकरण सौर कोशिकाओं की किस्में हैं, जिसमें फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल का कार्य प्रकाश विद्युत प्रभाव (या, बहुत समान रूप से, फोटोवोल्टिक प्रभाव) का उपयोग विद्युत चुम्बकीय विकिरण (आमतौर पर सूर्य के प्रकाश) को या तो सीधे विद्युत शक्ति में या किसी ऐसी चीज में परिवर्तित करना है जो विद्युत शक्ति का उत्पादन करने के लिए आसानी से इस्तेमाल किया जा सकता है (हाइड्रोजन, उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन ईंधन में जलाया जा सकता है, photohydrogen देखें)।

दो सिद्धांत

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

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

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

कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल का एक और रूप है, उस मामले में आउटपुट आणविक हाइड्रोजन के बजाय कार्बोहाइड्रेट होता है।

फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल

फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक सेल बैंड आरेख

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

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

दो प्रकार के प्रकाश रसायन सिस्टम फोटोकैटलिसिस के माध्यम से संचालित होते हैं। उत्प्रेरक के रूप में अर्धचालक सतहों का उपयोग करता है। इन उपकरणों में अर्धचालक सतह सौर ऊर्जा को अवशोषित करती है और पानी के विभाजन के लिए इलेक्ट्रोड के रूप में कार्य करती है। अन्य कार्यप्रणाली उत्प्रेरक के रूप में इन-सॉल्यूशन मेटल कॉम्प्लेक्स का उपयोग करती है।[3][4] Photoelectrolytic कोशिकाओं ने 10 प्रतिशत आर्थिक दक्षता बाधा पार कर ली है। पानी के साथ सीधे संपर्क के कारण अर्धचालकों का क्षरण मुद्दा बना हुआ है।[5] संयुक्त राज्य अमेरिका के ऊर्जा विभाग द्वारा स्थापित आवश्यकता, 10000 घंटे के सेवा जीवन तक पहुंचने के लिए अनुसंधान अब जारी है।[6]


अन्य फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल

कभी डिजाइन किया गया पहला सौर सेल भी पहला फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल था। इसे 1839 में, एडमंड बेकरेल | एलेक्जेंडर-एडमंड बेकरेल द्वारा, 19 वर्ष की आयु में, अपने पिता की प्रयोगशाला में बनाया गया था।[7] हाल के दशकों में सबसे अधिक शोध किया गया आधुनिक फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल डाई-सेंसिटाइज़्ड सोलर सेल है। ग्रैट्ज़ेल सेल, हालांकि बाद की अपेक्षाकृत उच्च दक्षता और वाष्प में समानता के कारण हाल ही में इस विषय से बहुत अधिक ध्यान पेरोसाइट सौर सेल पर स्थानांतरित कर दिया गया है। आमतौर पर उनके निर्माण में उपयोग की जाने वाली सहायक निक्षेपण तकनीकें।

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

फोटोइलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं के लिए सामग्री

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

  • एन-टाइप सेमीकंडक्टर और मेटल कैथोड से बना फोटो-एनोड
  • एन-टाइप सेमीकंडक्टर से बना फोटो-एनोड और पी-टाइप सेमीकंडक्टर से बना फोटो-कैथोड
  • पी-टाइप सेमीकंडक्टर और मेटल एनोड से बना फोटो-कैथोड

पीईसी में फोटोइलेक्ट्रोड सामग्री के लिए कई आवश्यकताएं हैं उत्पादन:[9]

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

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

जबकि सूचीबद्ध आवश्यकताओं को आम तौर पर लागू किया जा सकता है, फोटोएनोड्स और फोटोकैथोड्स की थोड़ी अलग जरूरतें होती हैं। अच्छे फोटोकैथोड में ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (कम अतिपरासारी), संतृप्ति पर बड़ी फोटोक्रेक्ट, और शुरुआत में फोटोक्रेक्ट की तेजी से वृद्धि की शुरुआत होगी। दूसरी ओर, अच्छे फोटोएनोड्स में हाई करंट और तेजी से फोटोकरंट ग्रोथ के अलावा हाइड्रोजन इवोल्यूशन रिएक्शन की शुरुआती शुरुआत होगी। वर्तमान को अधिकतम करने के लिए, एनोड और कैथोड सामग्री को एक साथ मिलान करने की आवश्यकता है; कैथोड सामग्री के लिए सबसे अच्छा एनोड दूसरे के लिए सबसे अच्छा नहीं हो सकता है।

TiO
2

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

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

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


गण

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


सिलिकॉन

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


संरचित सामग्री

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


हेमेटाइट

हेमेटाइट संरचना

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


टंगस्टन ऑक्साइड

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


बिस्मथ वनाडेट ==

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

ऑक्सीकरण रूप

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

प्रतिक्रिया तंत्र

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

फोटोइलेक्ट्रोकैटलिसिस का मुख्य उद्देश्य इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस के माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक चार्ज वाहकों के पारित होने के लिए और विशेष रूप से रासायनिक उत्पादों के फोटोइलेक्ट्रॉनिक उत्पादन के लिए कम ऊर्जा सक्रियण मार्ग प्रदान करना है।[28] फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण के संबंध में, हम विचार कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, प्रतिक्रियाओं की निम्नलिखित प्रणाली, जो TiO का गठन करती है2- उत्प्रेरित ऑक्सीकरण।[29]

वह2 (एचवी) → टीआईओ2 (यह है− + एच+)
चाचा2(एच+) +RX → TiO2 + आरएक्स.+
चाचा2(एच+) + एच2ओ → टीआईओ2 + सेवा मेरे. + एच+
चाचा2(एच+) + ओह− → TiO2 + सेवा मेरे.
चाचा2(यह है−) + ओ2 → टीआईओ2 + ओ2.−

यह प्रणाली ऑक्सीडेटिव प्रजातियों के उत्पादन के लिए कई रास्ते दिखाती है जो प्रजातियों के ऑक्सीकरण की सुविधा प्रदान करती है, RX, उत्साहित TiO द्वारा इसके प्रत्यक्ष ऑक्सीकरण के अलावा2 अपने आप। पीईसीओ ऐसी प्रक्रिया से संबंधित है जहां इलेक्ट्रॉनिक चार्ज वाहक प्रतिक्रिया माध्यम से आसानी से आगे बढ़ने में सक्षम होते हैं, जिससे कुछ हद तक पुनर्मूल्यांकन प्रतिक्रियाएं कम हो जाती हैं जो ऑक्सीडेटिव प्रक्रिया को सीमित कर देती हैं। इस मामले में "फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल" सेमीकंडक्टर उत्प्रेरक के बहुत छोटे कण के रूप में सरल हो सकता है। यहाँ, "प्रकाश" पक्ष पर प्रजाति ऑक्सीकृत होती है, जबकि "अंधेरे" पक्ष पर अलग प्रजाति कम हो जाती है।[30]


प्रकाश रासायनिक ऑक्सीकरण (पीसीओ) बनाम पीईसीओ

शास्त्रीय मैक्रोस्कोपिक फोटोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम में काउंटर-इलेक्ट्रोड के साथ विद्युत संपर्क में अर्धचालक होते हैं। बाहरी सेमीकंडक्टर # एन-टाइप सेमीकंडक्टर्स के लिए पर्याप्त रूप से छोटे आयाम के एन-टाइप सेमीकंडक्टर कण, कण एनोडिक और कैथोडिक क्षेत्रों में ध्रुवीकरण करते हैं, प्रभावी रूप से सूक्ष्म फोटोइलेक्ट्रॉनिक सेल बनाते हैं।[28] कण की प्रबुद्ध सतह photooxidation प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करती है, जबकि कण का "अंधेरा" पक्ष सहवर्ती कमी की सुविधा देता है।[31] फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण को फोटोकैमिकल ऑक्सीकरण (पीसीओ) का विशेष मामला माना जा सकता है। फोटोकैमिकल ऑक्सीकरण कट्टरपंथी प्रजातियों की पीढ़ी को मजबूर करता है जो अर्धचालक-उत्प्रेरित प्रणालियों में शामिल इलेक्ट्रोकेमिकल इंटरैक्शन के साथ या बिना ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं को सक्षम करता है, जो फोटोइलेक्ट्रॉनिक ऑक्सीकरण में होता है।

अनुप्रयोग

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

जल उपचार

PECO ने तूफानी जल और अपशिष्ट जल दोनों के जल उपचार के लिए वादा दिखाया है। वर्तमान में, बायोफिल्ट्रेशन तकनीकों के उपयोग जैसे जल उपचार विधियों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। ये प्रौद्योगिकियां निलंबित ठोस, पोषक तत्वों और भारी धातुओं जैसे प्रदूषकों को छानने में प्रभावी हैं, लेकिन शाकनाशियों को हटाने के लिए संघर्ष करती हैं। डाययूरॉन और atrazine जैसे जड़ी-बूटियों का आमतौर पर उपयोग किया जाता है, और अक्सर तूफान के पानी में समाप्त हो जाते हैं, संभावित स्वास्थ्य जोखिम पैदा करते हैं यदि उनका पुन: उपयोग करने से पहले इलाज नहीं किया जाता है।

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

वायु उपचार

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

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

हाइड्रोजन उत्पादन

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

इतिहास

1938 में, गुडवे और किचनर ने टीआईओ के "फोटोसेंसिटाइजेशन" का प्रदर्शन किया2- उदाहरण के लिए, जैसा कि इसे वर्णक के रूप में शामिल करने वाले पेंट के लुप्त होने से पता चलता है।[37] 1969 में, किन्नी और इवानुस्की ने सुझाव दिया कि TiO सहित विभिन्न प्रकार के धातु ऑक्साइड2, सनलैंप द्वारा रोशनी के तहत विघटित कार्बनिक पदार्थों (फिनोल, बेंजोइक एसिड, एसिटिक एसिड, सोडियम स्टीयरेट और सुक्रोज) के ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित कर सकता है।[38] कैरी एट अल द्वारा अतिरिक्त कार्य। सुझाव दिया है कि TiO2 पीसीबी के फोटोडीक्लोरिनेशन के लिए उपयोगी हो सकता है।[39]


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यह भी देखें

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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