Väte är ett mångsidigt bränsle som kan lagra och frigöra kemisk energi när det behövs. Vätgas kan produceras på ett klimatneutralt sätt genom elektrolytisk delning av vatten till väte och syre med hjälp av solenergi. Detta kan uppnås fotoelektrokemiskt (PEC), och för detta tillvägagångssätt är det nödvändigt att ha billiga fotoelektroder som ger en viss fotospänning under belysning, och förblir stabila i vattenhaltiga elektrolyter.

Dock, här ligger huvudhindret; konventionella halvledare korroderar mycket snabbt i vatten. Metalloxid-tunna filmer är mycket mer stabila, men korroderar ändå med tiden. Ett av de mest framgångsrika fotoanodmaterialen är vismutvanadat (BiVO ₄ ), en komplex metalloxid där fotoströmmar redan är nära den teoretiska gränsen. Men den största utmaningen för kommersiellt gångbar PEC-vattendelning är nu att bedöma och förbättra stabiliteten hos fotoelektrodmaterial under deras PEC-drift.

För detta ändamål, ett team vid HZB Institute for Solar Fuels ledd av Prof. Roel van de Krol (HZB) tillsammans med grupper från Max Planck Institute for Iron Research, Helmholtz-institutet Erlangen-Nürnberg för förnybar energi, University of Freiburg och Imperial College London, har använt ett antal state-of-the-art karakteriseringsmetoder för att förstå korrosionsprocesserna hos högkvalitativa BiVO ₄ fotoelektroder.

"Än så länge, vi kunde bara undersöka fotoelektroder före och efter fotoelektrokemisk korrosion, " säger Dr Ibbi Ahmet, som initierade studien tillsammans med Siyuan Zhang från Max Planck Institute. "Det var lite som att bara läsa det första och sista kapitlet i en bok, och att inte veta hur alla karaktärer dog." I ett första steg för att lösa detta problem, kemisten tillhandahöll en serie av högren BiVO ₄ tunna filmer som studerades i en nydesignad flödescell med olika elektrolyter under standardbelysning.

Resultatet är den första operandostabilitetsstudien av högrent BiVO ₄ fotoanoder under den fotoelektrokemiska syreutvecklingsreaktionen (OER). Använda in-situ plasmamasspektrometri (ICPMS), de kunde bestämma vilka grundämnen som löstes upp från ytan av BiVO4-fotoanoderna under den fotoelektrokemiska reaktionen, i realtid.

"Från dessa mätningar kunde vi bestämma en användbar parameter, stabilitetsnumret (S), " säger Ibbi. Det här stabilitetstalet beräknas från förhållandet mellan O ₂ producerade molekyler och antalet lösta metallatomer i elektrolyten och det är faktiskt ett perfekt jämförbart mått på fotoelektrodstabilitet. Stabiliteten hos en fotoelektrod är hög om uppdelningen av vatten fortskrider snabbt (i detta fall utvecklingen av O ₂ ) och få metallatomer kommer in i elektrolyten. Denna parameter kan också användas för att bestämma förändringen i fotoelektrodstabilitet under deras livstid eller bedöma skillnader i stabiliteten hos BiVO ₄ i olika pH-buffrade borat, fosfat och citrat (hålrenare) elektrolyter.

Detta arbete visar hur stabiliteten hos fotoelektroder och katalysatorer kan jämföras i framtiden. Författarna har fortsatt samarbetet och använder nu dessa värdefulla tekniker och insikter för att designa hållbara lösningar för att förbättra stabiliteten hos BiVO ₄ fotoanoder och möjliggör deras användning i långvariga praktiska tillämpningar.