Évaluation du flux local d'oxygène produit par l'oxydation photoélectrochimique des hydroxydes par microscopie électrochimique à balayage

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5019 (2023) Citer cet article

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Plusieurs approches électrochimiques in situ ont été développées pour effectuer une étude photoélectrochimique localisée de la photoanode. L'une des techniques est la microscopie électrochimique à balayage (SECM), qui sonde la cinétique de réaction hétérogène locale et les flux d'espèces générées. Dans l'analyse SECM traditionnelle des photocatalyseurs, l'évaluation de l'influence du rayonnement sur la vitesse de réaction étudiée nécessite une expérience de fond sombre supplémentaire. Ici, à l'aide de SECM et d'un microscope optique inversé, nous démontrons la détermination du flux d'O2 causé par la division de l'eau photoélectrocatalytique par la lumière. Le signal photocatalytique et le fond sombre sont enregistrés dans une seule image SECM. Nous avons utilisé une électrode d'oxyde d'indium et d'étain modifiée avec de l'hématite (α-Fe2O3) par électrodéposition comme échantillon modèle. Le flux d'oxygène induit par la lumière est calculé par analyse de l'image SECM enregistrée en mode de génération de substrat/collecte de pointe. En photoélectrochimie, la connaissance qualitative et quantitative de l'évolution de l'oxygène ouvrira de nouvelles portes pour comprendre les effets locaux des dopants et des piégeurs de trous de manière simple et conventionnelle.

Divers catalyseurs ont été essayés pour réduire l'énergie électrique nécessaire à la séparation de l'eau dans le cas de la production d'énergie renouvelable utilisant l'électrolyse de l'eau en présence de lumière1,2. Lors de la réalisation d'une réaction de dégagement d'hydrogène (HER), la vitesse globale du processus (division de l'eau) est souvent limitée par la vitesse du processus se produisant sur la deuxième électrode. Par conséquent, l'efficacité de la photoanode est essentielle. Étant donné que l'oxydation de l'eau est thermodynamiquement plus difficile que la réduction de l'eau en hydrogène, la recherche sur les photoanodes est plus encouragée3. En démontrant une surtension réduite et/ou un courant photocatalytique plus élevé, de nombreux types de matériaux sous leurs formes non altérées ou modifiées ont été évalués pour une oxydation efficace de l'eau4,5,6. Une ingénierie efficace des photoanodes à séparation d'eau, en plus des mesures photoélectrochimiques traditionnelles, nécessite une caractérisation de surface rapide in situ.

L'une des techniques électrochimiques in situ, la microscopie électrochimique à balayage (SECM), a été utilisée pour analyser localement les surfaces des photoanodes7,8,9,10,11,12,13,14. Différentes approches ont été utilisées pour développer la technologie SECM, en particulier dans la méthode d'éclairage, qui permet une analyse de surface simple et directe avec une résolution spatiale et temporelle élevée, à partir de l'éclairage d'une grande surface de photocatalyseurs analysés jusqu'à l'illumination locale de la zone analysée par SECM par laser ou en utilisant la pointe SECM comme fibre optique14. De nombreux défauts, y compris l'ombrage partiel de la surface photoactive avec l'ultramicroélectrode et la sursaturation facile de l'électrolyte avec le gaz produit, sont révélés par un éclairage à plus grande échelle, en particulier du côté supérieur. Différentes mises à jour du dispositif SECM ont été réalisées, notamment avec des microélectrodes pour l'éclairage local. La conception de microélectrodes en forme d'anneau avec fibre optique interne coaxiale pour l'éclairage local limite la résolution de l'imagerie électrochimique10,14,15. De plus, cette méthode de modification des microélectrodes prend du temps et nécessite un processus de fabrication complexe. Une autre méthode d'éclairage local de l'échantillon analysé par SECM pour éviter l'ombrage par la pointe SECM est la fourniture de lumière à travers la gaine de verre isolante de la microélectrode16. Cette approche permet d'enregistrer le photocourant de l'échantillon et le courant de pointe correspondant à la collection faradique du produit (par exemple, O2) de la réaction photocatalytique générée au niveau de l'échantillon, à la fois en fonction de la position latérale de la sonde. Cependant, la récupération d'informations quantitatives sur le flux local des produits générés est difficile. L'évolution de l'oxygène fournit des informations quantitatives sur le processus photoélectrochimique sous la forme du flux de produit généré. Ainsi, il est impératif de mesurer l'oxygène dégagé individuellement et quantitativement pour comprendre la véritable efficacité de la photoanode. Avec l'utilisation d'une électrode à pointe SECM, une méthode d'analyse de surface plus simple de la photoanode qui offre une photogénération O2 qualitativement et quantitativement est nécessaire.

Ici, nous démontrons une méthode simple pour l'éclairage localisé de la photoanode dans la zone de balayage SECM qui fournit des données quantitatives sur le flux d'oxygène photogénéré localement. Elle repose sur l'utilisation d'un microscope optique inversé couplé à une source lumineuse. Nous démontrons l'analyse SECM d'un substrat ITO recouvert de α-Fe2O3 semi-transparent éclairé localement par l'arrière. α-Fe2O3 est connu pour son activité photocatalytique vis-à-vis de la génération d'O2 en milieu alcalin sans produire de H2O24. En ajustant le grossissement de l'objectif et/ou la taille de l'ouverture, cette technique peut fournir un éclairage sur une plage large à étroite et permet un positionnement rapide et facile de la pointe SECM sur la zone d'intérêt de l'échantillon.

Une solution de FeCl3 (Chempur 25 mM) et FeCl2 (Chempur 15 mM) dans l'eau a été produite pour le dépôt de a-Fe2O3 sur la surface du verre revêtu d'ITO (Visiontek Systems Ltd.). Ag/AgCl/KCl(3 M) a servi d'électrode de référence et la plaque d'acier a servi de contre-électrode. Pour le dépôt cathodique sur l'électrode de travail ITO (1,5 × 1) cm2, un courant continu de − 1,5 mA a été appliqué à l'électrode de travail pendant 200 s17. Après dépôt, le verre ITO recouvert de α-Fe2O3 a été rincé avec de l'eau déminéralisée (~ 18 MΩ·cm), séché à l'air ambiant et recuit à 500 °C pendant 1 h.

Les films synthétisés ont été caractérisés à l'aide d'un SEM (FEI Nova NanoSEM 450 équipé du logiciel GENESIS et d'un détecteur EDX). Le diagramme XRD a été capturé à l'aide d'un diffractomètre PANalytical Empyrean équipé d'un détecteur X'Celerator utilisant un rayonnement Cu Kα filtré au Ni (λ1 = 1,54056 Å et λ2 = 1,54439 Å). Les données ont été recueillies sur une plaque plate à géométrie θ/θ sur un porte-échantillon tournant. Les observations par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) ont été réalisées à l'aide d'un spectromètre Microlab 350 (Thermo Electron) avec une résolution latérale de 0,2 mm2 et un rayonnement Al-K non monochromaté (1486,6 eV; 300 W) comme source d'excitation. L'analyse a été effectuée à une pression de 5,0 × 10−9 mbar. Les spectres à haute résolution et de sondage ont été capturés en utilisant des énergies de passage de 40 et 100 eV, respectivement. Les mesures du processus photoélectrochimique ont été faites dans une cellule avec une photoanode fixée à sa base. Des fils Ag/AgCl/KCl(3 M) et Pt ont été utilisés comme référence et contre-électrode au-dessus de l'électrode de travail. L'électrolyte était du NaOH 0,5 M (Chempur). Une irradiation à la lumière blanche de l'intensité de la lumière LED (pE-300white) équipée de filtres en forme de trèfle a été utilisée.

Une configuration SECM maison composée d'actionneurs piézo-électriques en boucle fermée (P625.2CD et P622.1CD, PI HERA avec amplificateur LVPZT E-509 C3A, PhysikInstrumente), deux amplificateurs patch-clamp VA-10X (npi Electronic Instruments), fonctionnant sous le logiciel SECMx18 via PCIDAS1602/16 analogique-numérique (AD) et PCI-DDA04 DA numérique-ana Des cartes log (DA) (Measurement Computing) ont été installées sur un microscope optique inversé Nikon MA200 avec une lampe au tungstène de 150 W à l'aide d'un adaptateur fait maison. Deux amplificateurs patch-clamp avec trois préamplificateurs d'électrodes ont été connectés en mode bipotentiostatique pour une polarisation indépendante de l'échantillon et de la pointe SECM et de la mesure du courant. Le platine a été utilisé comme contre-électrode, tandis que le fil Ag a servi d'électrode de quasi-référence dans les mesures SECM. Le substrat photoanode a été monté au fond d'une cellule en téflon. Sa surface en contact avec l'électrolyte a été confinée à un cercle d'un diamètre d'un millimètre pour éviter les débordements de courant (max. 2 µA pour le matériel usagé). Du NaOH 0,5 M a été utilisé comme électrolyte. L'échantillon a été éclairé localement à travers une longue distance de travail (4, 5 mm) 100 × objectif (NA = 0, 8), comme illustré à la Fig. 1. Deux tailles de microélectrodes à disque Pt (diamètre 25 µm et 4 µm) ont été utilisées comme pointes SECM. La distance entre la microélectrode à pointe Pt et le substrat α-Fe2O3 semi-transparent a été ajustée en approchant (touchant) et en rétractant la méthode à l'aide du microscope optique inversé19. La profondeur de champ étroite (< 1 µm) pour l'objectif 100 X a permis une mise au point précise sur l'échantillon ou sur la pointe. La vis micrométrique du microscope a une échelle avec une précision de 1 µm. La distance pointe-échantillon peut être mesurée en soustrayant les positions des vis micrométriques lorsqu'elles sont focalisées sur l'échantillon et sur la pointe. La gaine de verre isolante de la pointe a été positionnée pour être en contact avec le substrat α-Fe2O3, puis elle a été rétractée de 10 µm à l'aide du moteur piézo. La distance de 10 µm a été vérifiée par lecture optique. En conséquence, il est prévu que l'intensité lumineuse atteignant le substrat sera de 25, 35 et 45 mW cm-2 pour les lentilles d'objectif avec des grossissements de 100 ×, 50 × et 20 ×, respectivement. L'analyse des données SECM a été réalisée à l'aide du logiciel MIRA20.

Illustration schématique de la configuration SECM et partie agrandie du substrat α-Fe2O3 et de la microélectrode montrant la réaction photoélectrochimique et de réduction de l'oxygène, respectivement.

La préparation électrolytique de α-Fe2O3 se fait par dépôt cathodique Fig. 2a17. Le procédé consiste en la précipitation de Fe3+ avec HO− pour former Fe(OH)3, puis la formation de Fe2O3 à partir de l'évaporation de H2O lors du recuit :

( a ) Courbe de chronopotentiométrie du dépôt de α-Fe2O3 à - 1 mA cm -2 de densité de courant. (Images optiques en médaillon du film résultant avant recuit (à gauche) et après recuit (à droite)), (b) modèles XRD de verre ITO et α-Fe2O3 sur verre ITO, (c) spectre d'enquête XPS de α-Fe2O3 sur verre ITO et (d) spectres XPS de In 3p et Fe 2p.

Sur ITO, la réduction de l'eau et la transformation des ions ferriques en ions ferreux se produisent simultanément. La réduction de l'eau modifie le pH local au niveau de l'électrode, provoquant la précipitation de l'hydroxyde. Il y a une diminution du courant avec le temps et enfin, les satures supportent la participation complète de la surface au dépôt électrochimique. D'un point de vue électrochimique, cela s'appelle le processus de charge. Le premier régime (0 à ~ 10 s) dans la chronopotentiométrie de la Fig. 1a est dû à l'appauvrissement en oxygène près de l'électrode. Plus tard, > env. 10 s, la réduction d'eau commence (Eq. 1), ce qui nécessite une surtension croissante due à une alcalinisation locale près de l'électrode. Après env. 55 s, de l'hydroxyde de fer se forme et le potentiel se stabilise. La production d'hématite est également favorisée par la réduction d'oxygène à la cathode, provoquant une augmentation locale du pH. L'électrodéposition cathodique galvanostatique provoque la création d'un mince revêtement de couleur brune sur la surface de l'ITO transparent (Fig. 2a-Image en médaillon à gauche). Après recuit, un film de couleur brune se transforme en un film translucide jaunâtre-orange, très probablement à la suite de l'évaporation de l'humidité et de la conversion de l'hydroxyde en oxyde (Fig. 2a-Image en médaillon à droite). La diffraction des rayons X a été utilisée pour caractériser le produit fini après recuit. Le verre et l'ITO ont été utilisés comme référence pour le substrat afin de vérifier la formation du produit. Un pic proéminent à 33,15°21 et la suppression du pic d'ITO à 21,25°, 30,39°, 35,35°, 50,76° et 60,25° sont la preuve du dépôt en couche mince de Fe2O3 (Fig. 1b). En raison du manque de cristallinité, la qualité du large pic à 24,5°, qui est lié au verre, reste inchangée. Divers éléments observés dans le spectre XPS de l'enquête générale, y compris Fe et O, sont dérivés de α-Fe2O3, tandis que In, Sn et O sont des composants de l'ITO (Fig. 2c). De plus, XPS pourrait également détecter C comme une impureté de surface. Deux pics majeurs, correspondant à Fe 2p3/2 et Fe 2p1/2, sont considérés comme une propriété distinctive de Fe à des énergies de liaison de 710,93 et ​​724,6 eV, respectivement (Fig. 2d).

La surface de α-Fe2O3 a été étudiée par microscopie électronique à balayage. Du grossissement faible au grossissement des images SEM, la surface du film est très uniforme avec une morphologie granulaire, chaque granule ayant une taille nanométrique (Fig. 3a – c). Les éléments Fe et O sont clairement présents dans la cartographie EDS de la surface (Fig. 3d – f).

( a – c ) Images SEM de α-Fe2O3 avec différents grossissements, ( d – f ) Image SEM ( d ) et cartes EDS de Fe ( e ) et O ( f ).

La couche résultante du dépôt électrochimique a été examinée par spectroscopie UV-vis pour vérifier son absorbance lumineuse. Après recuit, il a été remarqué que le film devenait moins opaque dans tout le spectre analysé, comme le montre la figure 4a. De plus, le spectre révèle un pic d'absorption clair (350–550 nm), qui prend en charge la génération de bande interdite distincte et souhaitée. Le film peut généralement absorber une large gamme de longueurs d'onde avec une bande interdite distincte, ce qui est crucial pour convertir l'énergie lumineuse en carburant et/ou en énergie. La photoélectrochimie du film résultant a été réalisée dans du NaOH 0, 5 M sous irradiation UV-Vis. Selon la figure 4b, la voltamétrie à balayage linéaire (LSV) en tant que test photoélectrochimique révèle un photocourant considérable pour des potentiels supérieurs à env. 0,3 V. En présence de lumière, le potentiel de déclenchement de la séparation de l'eau est commuté22. Le potentiel de début de séparation de l'eau est de 0,5 V dans l'obscurité totale et passe à 0,35 V à la lumière. La chronoampérométrie démontre une multiplication par six du courant en présence de lumière (Fig. 4c) qui est cohérente avec le résultat LSV, confirmant la réaction photocatalytique à 0,5 V.

(a) spectres UV-Vis de α-Fe2O3 avant (1) et après (2) recuit, (b) courbe de voltamétrie à balayage linéaire dans des conditions d'obscurité (1) et de lumière (2) c) courbe chronoampérométrique de α-Fe2O3 dans des conditions de marche-arrêt de lumière à un potentiel de 0,5 V et d) diagramme de Nyquist dans des conditions d'obscurité (1) et de lumière (2) dans du NaOH 0,5 M 0,1 Hz à 10 k Plage de fréquence Hz et amplitude 5 mV AC RMS. La surface de l'électrode exposée est de 1,5 cm2.

L'analyse par spectroscopie d'impédance révèle la plus grande faisabilité du transfert de charge de α-Fe2O3 en présence de lumière par rapport à l'obscurité, validant les résultats de la LSV et de la chronoampérométrie (Fig. 4d). Les résultats de la photoélectrochimie soutiennent l'activité de la photoanode pour l'oxydation de l'eau induite par la lumière. Cette propriété et la transparence de α-Fe2O3 nous ont encouragés à analyser la photoactivité localisée avec SECM.

La surface initiale du substrat, qui a une exposition à la lumière d'environ 35 μm, a été focalisée afin d'analyser la surface du substrat α-Fe2O3 à l'aide de SECM (Fig. 5a). Les microélectrodes d'un rayon de 2 μm se rapprochent suffisamment les unes des autres pour être distantes d'environ 10 μm.

( a ) Image optique du substrat α-Fe2O3 éclairé avec un objectif 100 × avec un diaphragme à ouverture hexagonale fermée. La tache floue la plus brillante est la microélectrode Pt de 2 μm de rayon positionnée à 10 μm au-dessus de l'échantillon. ( b ) Voltammogramme cyclique de la micropointe dans NaOH 0, 5 M à une vitesse de balayage de 25 mV / s. ( c ) Balayage SECM d'un échantillon flottant éclairé (sans appliquer de biais). ( d ) Balayage SECM avec éclairage dans l'état biaisé à la photoanode. Électrolyte : 0,5 M NaOH, potentiel d'échantillon : 0,7 V, potentiel de pointe - 0,6 V. Vitesse de balayage : 10 µm/s.

L'activité de la microélectrode a été vérifiée par voltamétrie cyclique (Fig. 5b). Il a été constaté que son potentiel approprié pour limiter la diffusion de la réduction de l'oxygène sans réduction de l'eau se situe dans la plage de - 0,4 V à - 0,6 V. Pour des potentiels plus négatifs que - 0,6 V, le dégagement d'hydrogène commence, ce qui devrait être évité dans d'autres expériences SECM. La surface a été initialement balayée alors que le substrat (photoanode) n'était pas polarisé (déconnecté de l'amplificateur de courant). L'échantillon inactif entravait la diffusion de l'oxygène vers la pointe du SECM. D'après la figure 5c, la surface est hétérogène en termes de topographie. Des inhomogénéités similaires sont visibles sur les micrographies SEM (Fig. 3d). Les inhomogénéités microscopiques sont également visibles en microscopie optique (Fig. 5a). Le produit de la réduction à 4 électrons de l'oxygène à la pointe est l'eau, c'est-à-dire le solvant, dont la concentration ne change pas localement en raison de la réduction de la pointe. Les petites variations de courant de pointe d'env. 80 pA à la pointe de la microélectrode sont causés par de petites variations dans la hauteur de la couche d'hématite. Aucun signal distinct n'est visible pour les positions des pointes au-dessus de la zone éclairée. Ceci montre que seule l'illumination, sans polarisation électrique, n'est pas capable d'induire un dégagement d'oxygène. L'application d'un biais (+ 0,7 V) à la photoanode avec de la lumière montre clairement une zone photoactive de dégagement d'oxygène correspondant à une forme hexagonale de zone éclairée (diaphragme d'ouverture utilisé pour confiner la zone d'échantillon éclairée afin d'éviter les éruptions et la perte de contraste causées par la lumière réfléchie par l'échantillon hors du champ observé en métallographie). La partie restante au-delà de la zone de forme hexagonale hautement éclairée est également partiellement éclairée par la lumière diffusée, de sorte que les courants de pointe cathodique correspondant à la réduction de l'oxygène généré au niveau de l'échantillon sont plus élevés que pour l'échantillon non biaisé. Une génération d'oxygène lente se produit également sur un échantillon non éclairé mais polarisé à + 0, 7 V (Fig. 5b). Des inhomogénéités sont également visibles pour la photoanode polarisée (Fig. 5d).

Alors qu'un balayage de zone plus large utilisant une petite microélectrode Pt offre une résolution latérale plus élevée et est utile pour comprendre l'hétérogénéité de surface, une plus grande microélectrode offre une sensibilité et une efficacité de collecte plus élevées, étant plus pratique pour les informations quantitatives. Afin d'estimer le flux d'oxygène photogénéré, la surface éclairée a été balayée à l'aide d'une microélectrode Pt avec un rayon de 12,5 µm de composant métallique. Le balayage SECM a été effectué 10 um au-dessus du substrat a-Fe2O3 éclairé de la même manière que dans l'expérience décrite ci-dessus. La surface de la microélectrode est visible lors du passage au-dessus du substrat éclairé pendant le processus de balayage (Fig. 6a) (informations à l'appui de la vidéo S1 20 × accélérée). Le courant de pointe cathodique enregistré est le plus élevé pour la position de la pointe au-dessus du centre de la tache éclairée. Il diminue au fur et à mesure que la microélectrode avance au-delà de la zone éclairée, quasiment identique au courant enregistré sans éclairage. Malgré une résolution latérale inférieure lors du balayage avec une microélectrode plus grande, le signal moyen ressemble à un point circulaire de taille micrométrique balayé avec le mode de génération de substrat/collecte de pointe, comme le montre la Fig. 6b23,24.

( a ) Image optique du substrat α-Fe2O3 éclairé avec un objectif 100 × avec un diaphragme à ouverture hexagonale fermée. La partie la plus brillante correspond à la lumière réfléchie par une microélectrode de Pt de 12,5 μm (rayon) positionnée à 10 μm au-dessus de l'échantillon. (b) Image SECM (mode SG/TC) de la partie illuminée de l'échantillon α-Fe2O3. Électrolyte : 0,5 M NaOH, potentiel d'échantillon : + 0,7 V, potentiel de pointe : − 0,6 V, vitesse de balayage : 10 µm/s. (c) Section transversale expérimentale et ajustée indiquée Image interpolée en médaillon de (b) avec une ligne blanche montrant l'extraction de la section transversale, (d) le tableau représente les paramètres ajustés.

Un balayage de ligne horizontale au centre de la partie éclairée de l'échantillon a été extrait de l'image interpolée (Fig. 6c).

La courbe extraite a été ajustée à l'équation suivante pour un balayage linéaire horizontal sur une source de microdisque de l'analyte généré25 ici l'oxygène :

L'adaptation des données au modèle théorique à l'aide du logiciel MIRA donne la concentration en surface de l'oxygène dégagé au niveau de la microtache éclairée de l'échantillon (CS). La réduction de l'oxygène est un processus à 4 électrons sur la microélectrode, donc n = 4, le coefficient de diffusion de l'oxygène (D) est de 1,76 × 10−5 cm2 s−126. \(r_{{\text{T}}}\) est le rayon de la microélectrode soit 12,5 μm. \(\xi\) est le facteur sans dimension décrivant un changement de concentration d'oxygène verticalement (d - distance) et horizontalement (Δx = x-x0) à partir du centre de la tache. L'ajustement non linéaire des moindres carrés donne les paramètres suivants : nFDrTCS = − 0,51 nA, \(x_{0}\) = 53,3 µm, rS (rayon de la zone de spample illuminée) = 15,3 µm, ioffset = − 8,1 nA. La distance verticale entre le substrat et la microélectrode a été fixée à d = 10 µm (non ajusté). La valeur du courant d'offset ioffset représente la réduction d'oxygène initialement présent dans l'électrolyte et également généré au niveau de la partie non éclairée de l'échantillon polarisé à + 0,7 V. Ainsi, le paramètre CS obtenu est un excès de concentration d'oxygène photogénéré. Cet excès de concentration superficielle d'oxygène est de 60 µM. Sur la base de l'équation suivante, la valeur du flux d'oxygène peut être calculée :

En supposant le flux uniforme le long de la région éclairée, le taux de génération peut être calculé à partir de l'équation suivante

Le flux d'oxygène correspondant à ~ 1,2 µA/cm2 à 0,7 V pour une grande photoanode éclairée (Fig. 3b, courant d'obscurité soustrait), selon les lois de Faraday de l'électrolyse, ca. 3,1 pmol s−1 cm−2 (environ 426 fois plus faible). Il est difficile de comparer ces flux car différentes sources de lumière ont été utilisées pour l'éclairage de l'échantillon. Dans le cas d'un éclairage local de taille micrométrique avec SECM, le transport de masse hémisphérique des réactifs par rapport au linéaire avec la plus grande électrode peut également jouer un rôle. Cette méthode d'estimation de la concentration excessive d'oxygène photogénéré et de son flux est très pratique pour l'évaluation de la contribution de la lumière au processus global à la photoanode. En raison de la petite taille de la zone éclairée de l'échantillon, la diffusion hémisphérique de l'oxygène généré provoque des conditions de transport de masse pratiques. Ceci est particulièrement important pour les taux élevés de dégagement d'oxygène, où, pour des échantillons plus grands, la sursaturation et la formation de la phase gazeuse sont problématiques. Cette méthode peut également être pratique pour l'analyse par lots d'ensembles de petits échantillons.

Nous avons présenté une technique simple pour sonder localement les processus photoélectrochimiques. L'idée de base derrière ces techniques est l'analyse SECM d'échantillons (semi) transparents éclairés localement à l'aide d'un microscope optique inversé. L'excès de concentration local obtenu en oxygène photogénéré et son flux sont uniquement liés à l'illumination. Le signal de fond de l'oxygène présent dans l'électrolyte et généré dans les parties non éclairées de l'échantillon est soustrait dans la procédure d'ajustement. L'efficacité de la photocatalyse a été précisément caractérisée par des données quantitatives sur le dégagement d'oxygène. Bien que nous ayons présenté cette méthode sur un exemple de photoanode, elle peut également être appliquée pour l'analyse de photocathodes et d'interfaces actives vis-à-vis des photoréactions (par exemple, la photosynthèse) qui ne sont pas des électrodes. Nous proposons une configuration SECM avec des nanoélectrodes et un rayonnement laser focalisé pour localiser les parties photoactives des matériaux nanostructurés.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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BG reconnaît le financement du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne dans le cadre de la convention de subvention Marie Skłodowska-Curie n ° 847413. Les travaux scientifiques ont été publiés dans le cadre d'un projet international cofinancé fondé à partir du programme du ministre des Sciences et de l'Enseignement supérieur intitulé "PMW" dans les années 2020-2024; Convention n° 5005/H2020-MSCA-COFUND/2019/2. WN remercie le Centre national des sciences, Pologne Grant 2016/23/B/ST4/02868 pour le financement de l'équipement utilisé dans ce travail.

Institut de chimie physique, Académie polonaise des sciences, Kasprzaka 44/52, 01-224, Varsovie, Pologne

Bhavana Gupta, Ariba Aziz, Shashank Sundriyal, Vishal Shrivastav, Ambrose A. Melvin, Marcin Holdynski et Wojciech Nogala

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BG et WN sont à l'origine de l'idée, ont collecté des données et rédigé l'article. AA prépare le film mince α-Fe2O3 et analyse les données SECM. SS, VS et AAM aident à l'analyse des données physicochimiques et à l'édition d'articles. MH a réalisé la caractérisation XPS et SEM.

Correspondance à Bhavana Gupta ou Wojciech Nogala.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Gupta, B., Aziz, A., Sundriyal, S. et al. Évaluation du flux local d'oxygène produit par l'oxydation photoélectrochimique des hydroxydes par microscopie électrochimique à balayage. Sci Rep 13, 5019 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32210-6

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Reçu : 25 janvier 2023

Accepté : 24 mars 2023

Publié: 28 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-32210-6

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