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.
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
