Vattenklyvning med solenergi kan ge en effektiv väg för storskalig förnybar energiomvandling och lagring. Forskare från TU Delft och AMOLF har nu konstruerat en mycket effektiv och stabil fotoelektrod, ett material som absorberar ljus och direkt delar vatten i väte och syre. Vidare, de använder kiselskivor som det ljusabsorberande materialet, så systemet är också billigt. De rapporterar om sina fynd i Naturkommunikation på torsdag, 29 juni.

Energiomvandling

Fotoelektrokemisk (PEC) vattensplittring (i väte och syre) ses som ett hållbart tillvägagångssätt för att producera rent och förnybart bränsle genom direkt omvandling av solenergi till kemisk energi. Vätet kunde, till exempel, användas direkt i bränsleceller eller kombineras med andra molekyler för att skapa hållbara kemikalier.

'Tillsammans med kollegor från AMOLF (Amsterdam), vi har konstruerat en fotoelektrod, ett material som absorberar ljus och direkt splittrar vatten, som har en mycket hög effektivitet och över 200 timmars stabilitet ', säger Wilson Smith, Docent vid Institutionen för kemiteknik vid TU Delft. ”Detta är anmärkningsvärt på ett område där människor normalt bara visar några timmars stabilitet. Vi använder kiselskivor som det ljusabsorberande materialet, så fotoelektroden är också mycket billig. '

'Så, Sammanfattningsvis, vi har nu ett billigt material, absorberar mycket ljus, har en hög katalytisk effektivitet, och är anmärkningsvärt stabil '.

MIS

Det är viktigt för ett PEC-system att tillhandahålla en tillräckligt hög fotoström och fotovolta för att driva vattenoxidationsreaktionen. Vanligtvis finns det en balans mellan systemets katalytiska effektivitet och dess långsiktiga stabilitet. Att lösa det ena problemet gör vanligtvis det andra värre. 'Här, vi har oberoende behandlat flaskhalsarna för stabilitet och katalys vid fotoelektrokemisk vattensplittring, och kombinerade dem till ett enkelt system. Vi använde ett nydesignat isolatorlager för att stabilisera halvledar (Si) fotoelektroden, samtidigt som man använder två metaller för att öka fotovolta och klyva vatten med hög effektivitet. Detta tillvägagångssätt, känd som att göra en metall-isolator-halvledare (MIS) -korsning, har visat sig effektivt tidigare men aldrig lika hållbart ', Smith förklarar.

Varaktighet

'Trots den stora fördelen med MIS -strukturen för splittring av solvatten, det finns fortfarande en stor avvägning mellan den höga effektiviteten och den långsiktiga hållbarheten '', säger Smith. Därför, många ansträngningar har koncentrerats på att skydda fotoelektroderna. Nickel (Ni) är en attraktiv metall som har alla funktioner som krävs för MIS -fotoanoder:en hög arbetsfunktion för hög fotovoltage, en aktiv katalysator för vattenoxidation, och hög kemisk stabilitet i starkt alkalisk lösning. Ni absorberar ljus, som kan begränsa fotoelektrodens prestanda, så det måste göras mycket tunt (2 nm). Dock, ett sådant tunt Ni -skikt kan inte helt skydda den underliggande fotoanoden i en mycket frätande elektrolyt vid pH 14.

Enkel

Forskarna har nu utvecklat en MIS-fotoanod som kan ge hög effektivitet och hög stabilitet genom att konstruera både metallisolatorn och isolator-halvledargränssnitten. Specifikt, de har introducerat ett Al2O3 -lager och två metaller, Pt och Ni. Med denna enkla men effektiva skyddsstrategi, de får mer än 200 timmars drift av en MIS -fotoanod som visar konstant höga fotoströmmar i en stark grundlösning. Således, metoden som används i denna studie kan eventuellt integreras i befintlig PV -teknik, vilket gör det lovande för framtida applikationer.

För att framgångsrikt inse spontan vattensplittring, fotoanoden ska kombineras med fotoelektroder med större bandgap i ett serie- eller tandemarrangemang. Detta skulle förenkla utformningen av en mycket effektiv fotoelektrokemisk enhet för solvattensplittring.