光电极如何工作？

了解光电化学电池中的光电极

光电极是光电化学 (PEC) 电池的重要组成部分，在利用太阳能驱动化学反应中发挥着不可或缺的作用。这些特殊的电极通过将光能转化为电能来启动和维持化学反应。

组成和功能

光电极通常由半导体材料制成，例如二氧化钛 (TiO2)、硅 (Si) 或砷化镓 (GaAs)。当光照射到光电极表面时，它会激发半导体材料中的电子，使其从价带跃迁到导带，从而形成电子-空穴对。此过程称为光激发。

电子-空穴对分离

为了使光电极有效，必须在电子-空穴对复合之前将其分离。这可以通过施加外部偏压或利用半导体/电解质界面处的固有电场来实现。电子向光电极表面移动，而空穴则向相反方向移动，从而产生电流。

光催化反应

在光电极表面，光生电子或空穴与电解质发生氧化还原反应。电子可以还原电解质中的物质，而空穴可以氧化这些物质，从而引发一系列化学反应，包括水分解、二氧化碳还原和有机污染物降解。

光电极的类型

• n型光电极：这类电极在其表面积累电子，促进还原反应。
• p型光电极：相反，p型电极积累空穴，促进氧化反应。

应用

光电极的实际应用范围不仅限于光电化学电池。它们还用于水分解制氢、二氧化碳还原制碳中性燃料以及废水处理过程中的污染物降解。高效耐用的光电极的开发对于推进可再生能源技术和环境修复工作至关重要。