Watersplitsing met zonne-energie zou een efficiënte route kunnen bieden voor grootschalige conversie en opslag van hernieuwbare energie. Wetenschappers van de TU Delft en AMOLF hebben nu een zeer efficiënte en stabiele foto-elektrode ontwikkeld, een materiaal dat licht absorbeert en water direct splitst in waterstof en zuurstof. Verder, ze gebruiken siliciumwafels als lichtabsorberend materiaal, dus het systeem is ook goedkoop. Zij rapporteren over hun bevindingen in Natuurcommunicatie op donderdag, 29 juni.

Energie conversie

Foto-elektrochemische (PEC) watersplitsing (in waterstof en zuurstof) wordt gezien als een duurzame benadering om schone en hernieuwbare brandstof te produceren door de directe omzetting van zonne-energie in chemische energie. De waterstof kan bijvoorbeeld, direct worden gebruikt in brandstofcellen of worden gecombineerd met andere moleculen om duurzame chemicaliën te maken.

'Samen met collega's van AMOLF (Amsterdam), we hebben een foto-elektrode ontworpen, een materiaal dat licht absorbeert en water direct splitst, dat een zeer hoog rendement en meer dan 200 uur stabiliteit heeft', zegt Wilson Smith, Universitair hoofddocent bij de afdeling Chemical Engineering van de TU Delft. 'Dat is opmerkelijk in een veld waar mensen normaal gesproken maar een paar uur stabiel zijn. We gebruiken siliciumwafels als lichtabsorberend materiaal, dus de foto-elektrode is ook erg goedkoop.'

'Dus, samengevat, we hebben nu een materiaal dat goedkoop is, absorbeert veel licht, heeft een hoog katalytisch rendement, en is opmerkelijk stabiel'.

MIS

Het is essentieel voor een PEC-systeem om een ​​voldoende hoge fotostroom en fotospanning te leveren om de wateroxidatiereactie aan te sturen. Meestal is er een evenwicht tussen de katalytische efficiëntie van dit systeem en de stabiliteit op lange termijn. Door het ene probleem op te lossen, wordt het andere meestal erger. 'Hier, we hebben onafhankelijk de knelpunten in de stabiliteit en katalyse aangepakt bij foto-elektrochemische watersplitsing, en combineerde ze in één eenvoudig systeem. We gebruikten een nieuw ontworpen isolatorlaag om de halfgeleider (Si) foto-elektrode te stabiliseren, terwijl ook twee metalen worden gebruikt om de fotospanning te verhogen en water met een hoog rendement te splitsen. Deze aanpak, bekend als het maken van een metaal-isolator-halfgeleider (MIS) overgang, is eerder efficiënt gebleken, maar nog nooit zo duurzaam', legt Smit uit.

Duurzaamheid

'Ondanks het grote voordeel van de MIS-structuur voor het splitsen van zonnewater, er blijft een belangrijke afweging tussen het hoge rendement en de duurzaamheid op lange termijn', zegt Smit. Daarom, veel inspanningen hebben zich geconcentreerd op het beschermen van de foto-elektroden. Nikkel (Ni) is een aantrekkelijk metaal dat alle functionaliteiten heeft die nodig zijn voor MIS-fotoanodes:een hoge werkfunctie voor het genereren van hoge fotospanningen, een actieve katalysator voor wateroxidatie, en hoge chemische stabiliteit in sterk alkalische oplossing. Ni absorbeert licht, die de prestaties van de foto-elektrode kunnen beperken, dus het moet heel dun gemaakt worden (2 nm). Echter, zo'n dunne Ni-laag is niet in staat om de onderliggende fotoanode in een zeer corrosieve elektrolyt bij pH 14 volledig te beschermen.

Eenvoudig

De onderzoekers hebben nu een MIS-fotoanode ontwikkeld die een hoog rendement en hoge stabiliteit kan opleveren door zowel de metaal-isolator als de isolator-halfgeleiderinterfaces te ontwerpen. specifiek, ze hebben een Al2O3-laag en twee metalen geïntroduceerd, Pt en Ni. Met behulp van deze eenvoudige maar effectieve beveiligingsstrategie, ze verkrijgen meer dan 200 uur werking van een MIS-fotoanode die constante hoge fotostromen vertoont in een sterke basische oplossing. Dus, de benadering die in deze studie wordt gebruikt, kan mogelijk worden geïntegreerd in bestaande PV-technologie, waardoor het veelbelovend is voor toekomstige toepassingen.

Om met succes spontane watersplitsing te realiseren, de fotoanode moet worden gecombineerd met foto-elektroden met een grotere bandafstand in een serie- of tandemopstelling. Dit zou het ontwerp van een zeer efficiënt foto-elektrochemisch apparaat voor het splitsen van zonnewater vereenvoudigen.