28.10.2020

Wasserstoffproduktion ohne Reibungsverluste

Stabilität von Photoelektroden gegenüber Korrosion spielt wichtige Rolle für nachhaltige Katalyse.

Wasserstoff lässt sich klimaneutral erzeugen, wenn man die elektrolytische Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Solar­energie erreicht. Für diesen Ansatz sind kostengünstige Photo­elektroden erforderlich, die unter Beleuchtung eine bestimmte Photo­spannung liefern und in wässrigen Elektrolyten stabil bleiben. Hier liegt jedoch das Haupt­hindernis; konventionelle Halbleiter korrodieren in Wasser sehr schnell. Metalloxid-Dünnschichten sind viel stabiler, korrodieren aber dennoch mit der Zeit. Eines der erfolgreichsten Photo­anoden­materialien ist Wismutvanadat (BiVO4), ein komplexes Metalloxid, in dem die Photo­ströme bereits nahe an der theoretischen Grenze liegen. Die größte Heraus­forderung für eine kommerziell nutzbare PEC-Wasser­spaltung besteht darin, die Stabilität von Photo­elektroden­materialien während ihres PEC-Betriebs zu bewerten und zu verbessern.
 

Abb.: Skalierbare groß­flächige Wismutvanadat-Photo­anode auf FTO mit...
Abb.: Skalierbare groß­flächige Wismutvanadat-Photo­anode auf FTO mit Ni-Strom­abnehmern. (Bild: HZB)

Zu diesem Zweck hat ein Team des Instituts für solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin unter der Leitung von Roel van de Krol zusammen mit Gruppen des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung, des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für erneuerbare Energien, der Universität Freiburg und des Imperial College London eine Reihe modernster Charakterisierungs­methoden eingesetzt, um die Korrosions­prozesse von hochwertigen Wismut­vanadat-Photo­elektroden zu verstehen.

„Bisher konnten wir nur Photo­elektroden vor und nach photo­elektro­chemischer Korrosion untersuchen“, sagt Ibbi Ahmet (HZB), der die Studie zusammen mit Siyuan Zhang vom Max-Planck-Institut initiiert hat. „Es war ein bisschen so, als würde man nur das erste und das letzte Kapitel eines Buches lesen und nicht wissen, wie alle Charaktere gestorben sind.“ In einem ersten Schritt zur Lösung dieses Problems stellte der Chemiker eine Reihe von hochreinen BiVO4-Dünnfilmen zur Verfügung, die in einer neu konzipierten Durchflusszelle mit verschiedenen Elektrolyten unter Standard­beleuchtung untersucht wurden.

Das Ergebnis ist die erste operando-Stabilitäts­studie von hochreinen BiVO4-Photo­anoden während der photo­elektrochemischen Sauerstoff­entwicklungs­reaktion (OER). Mit Hilfe der In-situ-Plasma-Massenspektrometrie (ICPMS) konnten sie in Echtzeit bestimmen, welche Elemente während der photo­elektro­chemischen Reaktion von der Oberfläche der BiVO4-Photoanoden gelöst wurden.

„Aus diesen Messungen konnten wir einen nützlichen Parameter, die Stabilitäts­zahl bestimmen“, sagt Ahmet. Diese Stabilitäts­zahl wird aus dem Verhältnis zwischen den erzeugten Sauerstoff-Molekülen und der Anzahl der gelösten Metallatome im Elektrolyten berechnet und ist in der Tat ein perfekt vergleichbares Maß für die Photoelektrodenstabilität. Die Stabilität einer Photo­elektrode ist hoch, wenn die Spaltung von Wasser schnell voranschreitet (in diesem Fall die Entwicklung von O2) und nur wenige Metallatome in den Elektrolyten gelangen. Dieser Parameter kann auch verwendet werden, um die Veränderung der Photo­elektroden­stabilität während ihrer Lebensdauer zu bestimmen oder Unterschiede in der Stabilität von Wismut­vanadat in verschiedenen Elektrolyten zu beurteilen.

Diese Arbeit zeigt, wie die Stabilität von Photo­elektroden und Katalysatoren in der Zukunft verglichen werden kann. Die Autoren haben die Zusammen­arbeit fortgesetzt und nutzen nun diese wertvollen Techniken und Erkenntnisse, um praktikable Lösungen zur Verbesserung der Stabilität von Wismut­vanadat-Fotoanoden zu entwerfen und deren Einsatz in langfristigen praktischen Anwendungen zu ermöglichen. 

HZB / DE
 

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