Billig, effektiv og stabil fotoelektrode kunne forbedre vandopdeling med solenergi

Vandopdeling med solenergi kan give en effektiv rute til konvertering og lagring af vedvarende energi i stor skala. Forskere fra TU Delft og AMOLF har nu konstrueret en meget effektiv og stabil fotoelektrode, et materiale, der absorberer lys og direkte deler vand i hydrogen og ilt. Desuden, de bruger siliciumskiver som det lysabsorberende materiale, så systemet er også billigt. De rapporterer om deres fund i Naturkommunikation på torsdag, 29. juni.

Energiomdannelse

Fotoelektrokemisk (PEC) vandopdeling (i hydrogen og ilt) ses som en bæredygtig tilgang til at producere rent og vedvarende brændstof ved direkte omdannelse af solenergi til kemisk energi. Brintet kunne, for eksempel, bruges direkte i brændselsceller eller kombineres med andre molekyler til at skabe bæredygtige kemikalier.

'Sammen med kolleger fra AMOLF (Amsterdam), vi har konstrueret en fotoelektrode, et materiale, der absorberer lys og direkte deler vand, der har en meget høj effektivitet og over 200 timers stabilitet ', siger Wilson Smith, Lektor i Institut for Kemiteknik ved TU Delft. 'Dette er bemærkelsesværdigt på et felt, hvor folk normalt kun viser et par timers stabilitet. Vi bruger siliciumskiver som det lysabsorberende materiale, så fotoelektroden er også meget billig. '

'Så, sammenfattende, vi har nu et materiale, der er lavt, absorberer meget lys, har en høj katalytisk effektivitet, og er bemærkelsesværdigt stabil '.

MIS

Det er vigtigt for et PEC-system at levere en tilstrækkelig høj fotostrøm og fotovoltage til at drive vandoxidationsreaktionen. Typisk er der en balance mellem den katalytiske effektivitet af dette system og dets langsigtede stabilitet. At løse det ene problem gør normalt det andet værre. 'Her, vi har uafhængigt taget fat på flaskehalse for stabilitet og katalyse i fotoelektrokemisk vandopdeling, og kombinerede dem til et enkelt system. Vi brugte et nydesignet isolatorlag til at stabilisere halvleder (Si) fotoelektroden, mens der også bruges to metaller til at øge fotovoltage og spaltevand med en høj effektivitet. Denne tilgang, kendt som at lave et metal-isolator-halvleder (MIS) kryds, har vist sig effektiv tidligere, men aldrig så holdbar ', Smith forklarer.

Holdbarhed

'På trods af den store fordel ved MIS -strukturen til opdeling af solvand, der er stadig en stor afvejning mellem den høje effektivitet og den langsigtede holdbarhed '' siger Smith. Derfor, mange bestræbelser har koncentreret sig om at beskytte fotoelektroderne. Nikkel (Ni) er et attraktivt metal, der har alle de funktioner, der kræves til MIS -fotoanoder:en høj arbejdsfunktion til høj fotovoltage, en aktiv katalysator til vandoxidation, og høj kemisk stabilitet i stærkt alkalisk opløsning. Ni absorberer lys, som kan begrænse fotoelektrodens ydeevne, så den skal laves meget tynd (2 nm). Imidlertid, et sådant tyndt Ni -lag er ikke i stand til fuldstændigt at beskytte den underliggende fotoanode i en stærkt ætsende elektrolyt ved pH 14.

Enkel

Forskerne har nu udviklet en MIS-fotoanode, der kan give en høj effektivitet og høj stabilitet ved at konstruere både metal-isolatoren og isolatoren-halvleder-grænsefladerne. Specifikt, de har introduceret et Al2O3 -lag og to metaller, Pt og Ni. Ved hjælp af denne enkle, men effektive beskyttelsesstrategi, de opnår mere end 200 timers drift af en MIS fotoanode, der viser konstant høje fotostrømme i en stærk grundlæggende løsning. Dermed, tilgangen i denne undersøgelse kan potentielt integreres i eksisterende PV -teknologi, gør det lovende for fremtidige applikationer.

For med succes at realisere spontan vandopdeling, fotoanoden skal kombineres med større båndgap -fotoelektroder i et serie- eller tandemarrangement. Dette ville forenkle designet af en yderst effektiv fotoelektrokemisk enhed til opdeling af solvand.