Solbrint:Lad os overveje stabiliteten af ​​fotoelektroder

Brint er et alsidigt brændstof, der kan lagre og frigive kemisk energi, når det er nødvendigt. Brint kan produceres på en klimaneutral måde ved elektrolytisk spaltning af vand til brint og ilt ved hjælp af solenergi. Dette kan opnås fotoelektrokemisk (PEC), og for denne tilgang er det nødvendigt at have billige fotoelektroder, der giver en vis fotospænding under belysning, og forbliver stabil i vandige elektrolytter.

Imidlertid, her ligger hovedhindringen; konventionelle halvledere korroderer meget hurtigt i vand. Metaloxid tynde film er meget mere stabile, men stadig korroderer med tiden. Et af de mest succesrige fotoanodematerialer er vismutvanadat (BiVO ₄ ), et komplekst metaloxid, hvor fotostrømme allerede er tæt på den teoretiske grænse. Men den største udfordring for kommercielt levedygtig PEC-vandspaltning er nu at vurdere og forbedre stabiliteten af ​​fotoelektrodematerialer under deres PEC-drift.

Til denne ende, et hold ved HZB Institute for Solar Fuels ledet af Prof. Roel van de Krol (HZB) sammen med grupper fra Max Planck Institute for Iron Research, Helmholtz Institut Erlangen-Nürnberg for Vedvarende Energi, University of Freiburg og Imperial College London, har brugt en række state-of-the-art karakteriseringsmetoder til at forstå korrosionsprocesserne af højkvalitets BiVO ₄ fotoelektroder.

"Indtil nu, vi kunne kun undersøge fotoelektroder før og efter fotoelektrokemisk korrosion, " siger Dr. Ibbi Ahmet, som startede undersøgelsen sammen med Siyuan Zhang fra Max Planck Institute. "Det var lidt som at læse kun det første og sidste kapitel af en bog, og ikke at vide, hvordan alle karaktererne døde." Som et første skridt til at løse dette problem, kemikeren leverede en serie af højrent BiVO ₄ tynde film, der blev undersøgt i en nydesignet flowcelle med forskellige elektrolytter under standardbelysning.

Resultatet er den første operando-stabilitetsundersøgelse af højrent BiVO ₄ fotoanoder under den fotoelektrokemiske oxygenudviklingsreaktion (OER). Brug af in-situ plasma massespektrometri (ICPMS), de var i stand til at bestemme, hvilke grundstoffer der blev opløst fra overfladen af ​​BiVO4-fotoanoderne under den fotoelektrokemiske reaktion, i realtid.

"Ud fra disse målinger var vi i stand til at bestemme en nyttig parameter, stabilitetstallet (S), " siger Ibbi. Dette stabilitetstal er beregnet ud fra forholdet mellem O ₂ producerede molekyler og antallet af opløste metalatomer i elektrolytten, og det er faktisk et perfekt sammenligneligt mål for fotoelektrodestabilitet. Stabiliteten af ​​en fotoelektrode er høj, hvis spaltningen af ​​vand forløber hurtigt (i dette tilfælde udviklingen af ​​O ₂ ) og få metalatomer kommer ind i elektrolytten. Denne parameter kan også bruges til at bestemme ændringen i fotoelektrodestabilitet i løbet af deres levetid eller vurdere forskelle i stabiliteten af ​​BiVO ₄ i forskellige pH-pufret borat, fosfat- og citratelektrolytter (hulfjerner).

Dette arbejde viser, hvordan stabiliteten af ​​fotoelektroder og katalysatorer kan sammenlignes i fremtiden. Forfatterne har fortsat samarbejdet og bruger nu disse værdifulde teknikker og indsigter til at designe levedygtige løsninger for at øge stabiliteten af ​​BiVO ₄ fotoanoder og muliggør deres anvendelse i langsigtede praktiske anvendelser.