Fotoanodes gemaakt van metaaloxiden worden beschouwd als een haalbare oplossing voor de productie van waterstof met zonlicht. -SnWO ₄ heeft optimale elektronische eigenschappen voor foto-elektrochemische watersplitsing met zonlicht, maar corrodeert gemakkelijk. Beschermlagen van nikkeloxide voorkomen corrosie, maar verminder de fotospanning en beperk de efficiëntie. Nu heeft een team van HZB bij BESSY II onderzocht wat er gebeurt op het grensvlak tussen de fotoanode en de beschermlaag. Gecombineerd met theoretische methoden, de meetgegevens onthullen de aanwezigheid van een oxidelaag die de efficiëntie van de fotoanode schaadt.

Waterstof is een belangrijke factor in een duurzaam energiesysteem. Het gas slaat energie op in chemische vorm en kan op vele manieren worden gebruikt:als brandstof, een grondstof voor andere brandstoffen en chemicaliën of zelfs om elektriciteit op te wekken in brandstofcellen. Een oplossing om waterstof klimaatneutraal te produceren is het elektrochemisch splitsen van water met behulp van zonlicht. Hiervoor zijn foto-elektroden nodig die bij blootstelling aan licht een fotospanning en fotostroom leveren en tegelijkertijd niet corroderen in water. Metaaloxideverbindingen hebben hiervoor veelbelovende voorwaarden. Bijvoorbeeld, apparaten voor het splitsen van water op zonne-energie met behulp van bismutvanadaat (BiVO ₄ ) foto-elektroden bereiken vandaag al ~8% zonne-naar-waterstof efficiëntie, wat dicht bij het theoretische maximum van 9% van het materiaal ligt.

Theoretische limiet is 20% in α-SnWO ₄

Om een ​​efficiëntie van meer dan 9% te bereiken, nieuwe materialen met een kleinere band gap zijn nodig. Het metaaloxide α-SnWO ₄ heeft een band gap van 1,9 eV, die perfect geschikt is voor foto-elektrochemische watersplitsing. theoretisch, een fotoanode gemaakt van dit materiaal kan ~20% van het uitgestraalde zonlicht omzetten in chemische energie (opgeslagen in de vorm van waterstof). Helaas, de verbinding degradeert zeer snel in een waterige omgeving.

Bescherming tegen corrosie heeft een prijs

Dunne lagen nikkeloxide (NiOx) kunnen de α-SnWO . beschermen ₄ fotoanode tegen corrosie, maar bleken ook de fotospanning aanzienlijk te verminderen. Om te begrijpen waarom dit het geval is, een team onder leiding van Dr. Fatwa Abdi van het HZB Instituut voor Zonnebrandstoffen heeft de α-SnWO ₄ /NiOx-interface in detail bij BESSY II.

Interface verkend bij BESSY II

"We bestudeerden monsters met verschillende diktes van NiOx met harde röntgenfoto-elektronspectroscopie (HAXPES) bij BESSY II en interpreteerden de gemeten gegevens met resultaten van berekeningen en simulaties, " zegt Patrick Schnell, de eerste auteur van de studie en een Ph.D. student aan de HI-SCORE International Research School van de HZB. "Deze resultaten geven aan dat zich een dunne oxidelaag vormt op het grensvlak, die de fotospanning vermindert, " legt Abdi uit.

Outlook:betere beschermingslagen

Algemeen, het onderzoek levert nieuwe, fundamentele inzichten in de complexe aard van grensvlakken in op metaaloxide gebaseerde foto-elektroden. "Deze inzichten zijn zeer nuttig voor de ontwikkeling van goedkope, schaalbare metaaloxide foto-elektroden, " zegt Abdi. α-SnWO ₄ is in dit opzicht bijzonder veelbelovend. "We werken momenteel aan een alternatief depositieproces voor NiOx op α-SnWO ₄ die niet leidt tot de vorming van een grensvlak oxidelaag, wat waarschijnlijk SnO . is ₂ . Als dit lukt, we verwachten dat de foto-elektrochemische prestatie van α-SnWO ₄ aanzienlijk zal toenemen."