Waterstof is een veelzijdige brandstof die chemische energie kan opslaan en vrijgeven wanneer dat nodig is. Waterstof kan klimaatneutraal worden geproduceerd door het elektrolytisch splitsen van water in waterstof en zuurstof met behulp van zonne-energie. Dit kan foto-elektrochemisch (PEC) worden bereikt, en voor deze benadering is het noodzakelijk om goedkope foto-elektroden te hebben die een bepaalde fotospanning leveren onder verlichting, en stabiel blijven in waterige elektrolyten.

Echter, hier ligt het belangrijkste obstakel; conventionele halfgeleiders corroderen zeer snel in water. Metaaloxide dunne films zijn veel stabieler, maar corroderen nog steeds na verloop van tijd. Een van de meest succesvolle fotoanodematerialen is bismutvanadaat (BiVO ₄ ), een complex metaaloxide waarin fotostromen al dicht bij de theoretische limiet zijn. Maar de grootste uitdaging voor commercieel levensvatbare PEC-watersplitsing is nu om de stabiliteit van foto-elektrodematerialen tijdens hun PEC-operatie te beoordelen en te verbeteren.

Hiertoe, een team bij het HZB Instituut voor Zonnebrandstoffen onder leiding van prof.dr. Roel van de Krol (HZB) samen met groepen van het Max Planck Instituut voor IJzeronderzoek, het Helmholtz Instituut Erlangen-Neurenberg voor Hernieuwbare Energie, de Universiteit van Freiburg en het Imperial College London, hebben een aantal state-of-the-art karakteriseringsmethoden gebruikt om de corrosieprocessen van hoogwaardige BiVO . te begrijpen ₄ foto elektroden.

"Tot dusver, we konden alleen foto-elektroden onderzoeken voor en na foto-elektrochemische corrosie, " zegt dr. Ibbi Ahmet, die het onderzoek samen met Siyuan Zhang van het Max Planck Instituut initieerde. "Het was een beetje alsof ik alleen de eerste en laatste hoofdstukken van een boek las, en niet wetende hoe alle personages stierven." In een eerste stap om dit probleem op te lossen, de chemicus zorgde voor een reeks zeer zuivere BiVO ₄ dunne films die werden bestudeerd in een nieuw ontworpen stroomcel met verschillende elektrolyten onder standaardverlichting.

Het resultaat is de eerste operando-stabiliteitsstudie van hoogzuivere BiVO ₄ fotoanodes tijdens de foto-elektrochemische zuurstofevolutiereactie (OER). Met behulp van in-situ plasma massaspectrometrie (ICPMS), ze konden bepalen welke elementen tijdens de foto-elektrochemische reactie van het oppervlak van de BiVO4-fotoanodes waren opgelost, live.

"Uit deze metingen konden we een bruikbare parameter bepalen, het stabiliteitsgetal (S), " zegt Ibbi. Dit stabiliteitsgetal wordt berekend uit de verhouding tussen de O ₂ geproduceerde moleculen en het aantal opgeloste metaalatomen in de elektrolyt en het is in feite een perfect vergelijkbare maatstaf voor de stabiliteit van de foto-elektrode. De stabiliteit van een foto-elektrode is hoog als de splitsing van water snel verloopt (in dit geval de evolutie van O ₂ ) en er komen weinig metaalatomen in de elektrolyt. Deze parameter kan ook worden gebruikt om de verandering in de stabiliteit van de foto-elektrode tijdens hun levensduur te bepalen of om verschillen in de stabiliteit van BiVO te beoordelen ₄ in verschillende pH-gebufferde boraat, fosfaat en citraat (gatvanger) elektrolyten.

Dit werk laat zien hoe de stabiliteit van foto-elektroden en katalysatoren in de toekomst kan worden vergeleken. De auteurs hebben de samenwerking voortgezet en gebruiken deze waardevolle technieken en inzichten nu om haalbare oplossingen te ontwerpen om de stabiliteit van BiVO . te verbeteren ₄ fotoanodes en maken hun gebruik in praktische toepassingen op lange termijn mogelijk.