Compuesto de óxido de cobre altamente estable como un fotocátodo eficaz para la división del agua a través de una estrategia de síntesis electroquímica sencilla

La generación de hidrógeno a través de la división del agua fotoelectroquímica (PEC) utilizando luz solar como recurso energético se considera una forma limpia y eficiente de superar los problemas globales de energía y medio ambiente. Se ha centrado un amplio esfuerzo de investigación en semiconductores de óxido metálico tipo n como fotoánodos, mientras que los estudios de semiconductores de óxido metálico tipo p como fotocátodos donde se genera hidrógeno son escasos. En este trabajo, se fabricaron con éxito materiales fotocátodos de compuestos de óxido de cobre altamente eficientes y estables mediante una estrategia electroquímica sencilla de dos pasos, que consiste en la electrodeposición de una película de Cu sobre un sustrato de vidrio ITO, seguida de la anodización de la película de Cu bajo una densidad de corriente adecuada y luego la calcinación para formar un compuesto Cu2O/CuO. El compuesto Cu2O/CuO sintetizado estaba compuesto por una delgada capa de Cu2O con una fina película de CuO en su parte superior como recubrimiento protector. El control racional de la composición química y la orientación cristalina de los materiales compuestos se logró fácilmente variando los parámetros electroquímicos, incluyendo el potencial de electrodeposición y la densidad de corriente de anodización, para lograr un rendimiento PEC mejorado. El mejor material fotocátodo entre todos los materiales preparados fue el compuesto Cu2O/CuO con Cu2O en orientación (220), que mostró una fotocorriente altamente estable de −1.54 mA cm−2 a un potencial de 0 V vs electrodo de hidrógeno reversible a un pH suave bajo la iluminación de AM 1.5G. Esta densidad de fotocorriente fue más de 2 veces la generada por el electrodo de Cu2O desprovisto (−0.65 mAcm−2) y la estabilidad se mejoró considerablemente al 74.4% desde el 30.1% en el electrodo de Cu2O desprovisto. Los resultados de este estudio mostraron que la capa superior de CuO en el compuesto Cu2O/CuO no solo minimizó la fotocorrotión de Cu2O, sino que también actuó como un inhibidor de recombinación para los electrones y huecos fotogenerados de Cu2O, lo que explicó colectivamente la estabilidad y actividad PEC mucho mejoradas del compuesto Cu2O/CuO. Así, la estrategia electroquímica propuesta en este estudio para la síntesis del compuesto Cu2O/CuO abre una nueva forma de usar óxidos de cobre como materiales fotocátodos en celdas PEC para una división de agua altamente estable y efectiva.