Waterstof is in grote hoeveelheden nodig als energiedrager en grondstof in het energiesysteem van de toekomst. Om dit te behalen, echter, waterstof moet klimaatneutraal worden geproduceerd, bijvoorbeeld door zogenaamde foto-elektrolyse, door zonlicht te gebruiken om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Als foto-elektroden, er zijn halfgeleidende materialen nodig die zonlicht omzetten in elektriciteit en stabiel blijven in water. Metaaloxiden behoren tot de beste kandidaten voor stabiele en goedkope foto-elektroden. Sommige van deze metaaloxiden hebben ook katalytisch actieve oppervlakken die de vorming van waterstof aan de kathode of zuurstof aan de anode versnellen.

Waarom is roest niet veel beter?

Onderzoek heeft zich lange tijd gericht op hematiet (α-Fe ₂ O ₃ ), wat algemeen bekend staat als roest. Hematiet is stabiel in water, extreem goedkoop en zeer geschikt als fotoanode met een aangetoonde katalytische activiteit voor zuurstofontwikkeling. Hoewel er al ongeveer 50 jaar onderzoek wordt gedaan naar hematietfotoanodes, het fotostroomomzettingsrendement is minder dan 50% van de theoretische maximale waarde. Ter vergelijking, het fotostroomrendement van het halfgeleidermateriaal silicium, die nu bijna 90% van de fotovoltaïsche markt domineert, ongeveer 90% van de theoretische maximale waarde is.

Wetenschappers hebben hier lang over getwijfeld. Wat is er precies over het hoofd gezien? Wat is de reden dat er slechts een bescheiden verhoging van de efficiëntie is bereikt?

Israëlisch-Duits team lost de puzzel op

In een recente studie gepubliceerd in Natuurmaterialen , echter, een team onder leiding van Dr. Daniel Grave (Ben Gurion University), Dr. Dennis Friedrich (HZB) en Prof. Dr. Avner Rothschild (Technion) hebben een verklaring gegeven waarom hematiet zo ver onder de berekende maximale waarde valt. De groep bij Technion onderzocht hoe de golflengte van geabsorbeerd licht in dunne hematietfilms de foto-elektrochemische eigenschappen beïnvloedt, terwijl het HZB-team de golflengteafhankelijke eigenschappen van ladingsdragers in dunne roestfilms heeft bepaald met in de tijd opgeloste microgolfmetingen.

Fundamentele fysieke eigenschap geëxtraheerd

Door hun resultaten te combineren, de onderzoekers slaagden erin een fundamentele fysieke eigenschap van het materiaal te extraheren die over het algemeen werd verwaarloosd bij het overwegen van anorganische zonneabsorbers:het fotogeneratieopbrengstspectrum. "Overigens gesproken, dit betekent dat slechts een deel van de energie van het door hematiet geabsorbeerde licht mobiele ladingsdragers genereert, de rest genereert nogal gelokaliseerde aangeslagen toestanden en gaat dus verloren, ’ legt Grave uit.

Roest zal niet veel beter worden

"Deze nieuwe benadering biedt experimenteel inzicht in de interactie tussen licht en materie in hematiet en maakt het mogelijk om het optische absorptiespectrum te onderscheiden in productieve absorptie en niet-productieve absorptie, Rothschild legt uit. "We konden aantonen dat de effectieve bovengrens voor de conversie-efficiëntie van hematiet-fotoanodes aanzienlijk lager is dan verwacht op basis van bovenstaande band-gap-absorptie, " zegt Grave. Volgens de nieuwe berekening, de huidige "kampioen" hematiet fotoanodes zijn al vrij dicht bij het theoretisch mogelijke maximum gekomen. Dus veel beter dan dat wordt het niet.

Beoordelen van nieuwe foto-elektrodematerialen

De aanpak is ook met succes toegepast op TiO ₂ , een modelmateriaal, en BiVO ₄ , dat momenteel het best presterende metaaloxide-fotoanodemateriaal is. “Met deze nieuwe aanpak we hebben een krachtig hulpmiddel aan ons arsenaal toegevoegd waarmee we het realiseerbare potentieel van foto-elektrodematerialen kunnen identificeren. De implementatie hiervan in nieuwe materialen zal hopelijk de ontdekking en ontwikkeling van de ideale foto-elektrode voor het splitsen van zonnewater versnellen. Het zou ons ook in staat stellen om 'snel te falen', wat aantoonbaar net zo belangrijk is bij de ontwikkeling van nieuwe absorberende materialen, ' zegt Friedrich.