Grøn brint:Rust som fotoanode og dens grænser

Der bliver brug for brint i store mængder som energibærer og råstof i fremtidens energisystem. For at opnå dette, imidlertid, brint skal produceres på en klimaneutral måde, for eksempel gennem såkaldt fotoelektrolyse, ved at bruge sollys til at spalte vand til brint og ilt. Som fotoelektroder, Der er brug for halvledende materialer, der omdanner sollys til elektricitet og forbliver stabile i vand. Metaloxider er blandt de bedste kandidater til stabile og billige fotoelektroder. Nogle af disse metaloxider har også katalytisk aktive overflader, der accelererer dannelsen af ​​hydrogen ved katoden eller oxygen ved anoden.

Hvorfor er rust ikke meget bedre?

Forskning har længe fokuseret på hæmatit (α-Fe ₂ O ₃ ), som er almindeligt kendt som rust. Hæmatit er stabilt i vand, ekstremt billig og velegnet som fotoanode med en demonstreret katalytisk aktivitet for iltudvikling. Selvom forskning i hæmatitfotoanoder har stået på i omkring 50 år, fotostrømkonverteringseffektiviteten er mindre end 50 % af den teoretiske maksimumværdi. Til sammenligning, fotostrømeffektiviteten af ​​halvledermaterialet silicium, som nu dominerer næsten 90 % af solcellemarkedet, er omkring 90 % af den teoretiske maksimumværdi.

Forskere har undret sig over dette i lang tid. Hvad præcist er blevet overset? Hvad er årsagen til, at der kun er opnået beskedne effektivitetsforøgelser?

Israelsk-tysk hold løser gåden

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Naturmaterialer , imidlertid, et team ledet af Dr. Daniel Grave (Ben Gurion University), Dr. Dennis Friedrich (HZB) og Prof. Dr. Avner Rothschild (Technion) har givet en forklaring på, hvorfor hæmatit falder så langt under den beregnede maksimale værdi. Gruppen på Technion undersøgte, hvordan bølgelængden af ​​absorberet lys i hæmatit tynde film påvirker de fotoelektrokemiske egenskaber, mens HZB-teamet bestemte de bølgelængdeafhængige ladningsbæreregenskaber i tynde film af rust med tidsopløste mikrobølgemålinger.

Fundamental fysisk egenskab udvundet

Ved at kombinere deres resultater, forskerne lykkedes med at udvinde en grundlæggende fysisk egenskab ved materialet, som generelt var blevet forsømt, når man overvejede uorganiske solabsorbere:Fotogenereringsudbyttespektret. "Groft sagt, det betyder, at kun en del af energien i lyset absorberet af hæmatit genererer mobile ladningsbærere, resten genererer ret lokaliserede exciterede tilstande og går dermed tabt, " forklarer Grave.

Rust bliver ikke meget bedre

"Denne nye tilgang giver eksperimentel indsigt i lys-stof-interaktion i hæmatit og gør det muligt at skelne dets optiske absorptionsspektrum i produktiv absorption og ikke-produktiv absorption, " Rothschild forklarer. "Vi kunne vise, at den effektive øvre grænse for konverteringseffektiviteten af ​​hæmatitfotoanoder er betydeligt lavere end forventet baseret på ovenstående båndgab-absorption, " siger Grave. Ifølge den nye beregning dagens "mester" hæmatit-fotoanoder er allerede kommet ret tæt på det teoretisk mulige maksimum. Så det bliver ikke meget bedre end det.

Vurdering af nye fotoelektrodematerialer

Tilgangen er også blevet anvendt med succes på TiO ₂ , et modelmateriale, og BiVO ₄ , som i øjeblikket er det bedst ydende metaloxidfotoanodemateriale. "Med denne nye tilgang, vi har tilføjet et kraftfuldt værktøj til vores arsenal, der gør os i stand til at identificere fotoelektrodematerialers realiserbare potentiale. Implementering af dette til nye materialer vil forhåbentlig fremskynde opdagelsen og udviklingen af ​​den ideelle fotoelektrode til solvandsspaltning. Det ville også give os mulighed for at 'fejle hurtigt', hvilket nok er lige så vigtigt, når man udvikler nye absorbermaterialer, siger Friedrich.