Development of CuSbS2-based Photocathodes for Solar Water Splitting

Photoelectrochemical water splitting is one of the most promising technologies that generates green hydrogen by utilizing solar energy without any harmful emissions. The main components of the PEC water splitting devices are the semiconductor electrode materials that absorb light and form the free charge carriers to drive water splitting reaction. Cu-based oxides as photoactive material gained significant intertest due to having suitable band structure to drive water splitting reactions, however, they suffer from photo corrosion, high-charge recombination rate. Cu-based chalcogenides can overcome such limitations owing to their tunable band gaps, and suitable band edge positions for redox reactions. In this study, CuSbS2 was analyzed as a photoactive material in a composite photocathode for PEC water splitting applications. Two different routes are tested to synthesize the material, CuSbS2: a) co-electrodeposition of Cu, Sb, and S followed by sulfurizing (CAS2), b) individual deposition of Cu and S followed by sulfurizing (CAS3). ZnO layer was electrodeposited at -1 V to create a p- n junction and Pt nanoparticles are aimed at catalyzing the hydrogen evolution reaction. The prepared samples were studied using SEM, EDX, and XRD to investigate the morphologies and characterize the composition of the materials. Linear sweep voltammograms of the photoelectrodes measured under chopping illumination to test photoelectrochemical behavior of the samples. In case of CAS2, CuSbS2 was synthesized along with secondary phase of Sb2S3. While CuSbS2 was not formed in case of CAS3. The CAS samples demonstrated no photovoltaic response during photoelectrochemical tests.

La scissione fotoelettrochimica dell’acqua è una delle tecnologie più promettenti che genera idrogeno verde utilizzando l’energia solare senza emissioni nocive. I componenti principali dei dispositivi di scissione dell'acqua PEC sono i materiali degli elettrodi semiconduttori che assorbono la luce e formano portatori di carica liberi per guidare la reazione di scissione dell'acqua. Gli ossidi a base di rame come materiale fotoattivo hanno guadagnato un notevole interesse grazie alla struttura a bande adatta per guidare le reazioni di scissione dell'acqua, tuttavia, soffrono di fotocorrosione e di un'elevata velocità di ricombinazione della carica. I calcogenuri a base di rame possono superare tali limitazioni grazie ai loro gap di banda regolabili e alle posizioni adeguate dei bordi della banda per le reazioni redox. In questo studio, CuSbS2 è stato analizzato come materiale fotoattivo in un fotocatodo composito per applicazioni di scissione dell'acqua PEC. La sintesi del CuSbS2 è stata condotta in due diverse modalità: a) co- elettrodeposizione di Cu, Sb e S seguita da solforazione (CAS2), b) deposizione individuale di Cu e S seguita da solforazione (CAS3). Lo strato di ZnO è stato elettrodepositato a -1 V per creare una giunzione p-n e le nanoparticelle di Pt hanno lo scopo di catalizzare la reazione di evoluzione di idrogeno. I campioni preparati sono stati studiati utilizzando SEM, EDX e XRD per indagare le morfologie e caratterizzare la composizione dei materiali. Voltammogrammi a scansione lineare dei fotoelettrodi misurati sotto illuminazione tagliente per testare il comportamento fotoelettrochimico dei campioni. Nel caso di CAS2, CuSbS2 è stato sintetizzato insieme alla fase secondaria di Sb2S3. Mentre CuSbS2 non si è formato nel caso di CAS3. I campioni CAS non hanno dimostrato alcuna risposta fotovoltaica durante i test fotoelettrochimici.