TEM-bild av en α-SnWO4-film (grön) belagd med 20 nm NiOx (rosa). Vid gränssnittet mellan α-SnWO4 och NiOx kan ett ytterligare gränssnittsskikt observeras. Kredit:HZB
Fotoanoder gjorda av metalloxider anses vara en gångbar lösning för produktion av väte med solljus. a-SnWO 4 har optimala elektroniska egenskaper för fotoelektrokemisk vattendelning med solljus, men korroderar lätt. Skyddsskikt av nickeloxid förhindrar korrosion, men minska fotospänningen och begränsa effektiviteten. Nu har ett team på HZB undersökt på BESSY II vad som händer vid gränssnittet mellan fotoanoden och det skyddande lagret. I kombination med teoretiska metoder, mätdata avslöjar närvaron av ett oxidskikt som försämrar effektiviteten hos fotoanoden.
Vätgas är en viktig faktor i ett hållbart energisystem. Gasen lagrar energi i kemisk form och kan användas på många sätt:som bränsle, ett råmaterial för andra bränslen och kemikalier eller till och med för att generera elektricitet i bränsleceller. En lösning för att producera väte på ett klimatneutralt sätt är den elektrokemiska klyvningen av vatten med hjälp av solljus. Detta kräver fotoelektroder som ger en fotospänning och fotoström när de utsätts för ljus och som samtidigt inte korroderar i vatten. Metalloxidföreningar har lovande förutsättningar för detta. Till exempel, solvattenklyvningsanordningar som använder vismutvanadat (BiVO 4 ) fotoelektroder uppnår redan idag ~8% sol-till-väte-effektivitet, vilket är nära materialets teoretiska maximum på 9 %.
Teoretisk gräns är 20 % i α-SnWO 4
För att uppnå effektivitetsvinster över 9 %, nya material med mindre bandgap behövs. Metalloxiden α-SnWO 4 har ett bandgap på 1,9 eV, som är perfekt lämpad för fotoelektrokemisk vattenklyvning. Teoretiskt sett, en fotoanod gjord av detta material skulle kunna omvandla ~20% av det bestrålade solljuset till kemisk energi (lagrat i form av väte). Tyvärr, föreningen bryts ner mycket snabbt i en vattenhaltig miljö.
Skydd mot korrosion kommer med ett pris
Tunna lager av nickeloxid (NiOx) kan skydda α-SnWO 4 fotoanod från korrosion, men visade sig också avsevärt minska fotospänningen. För att förstå varför det är så, ett team ledd av Dr. Fatwa Abdi vid HZB Institute for Solar Fuels har analyserat α-SnWO 4 /NiOx-gränssnittet i detalj på BESSY II.
Gränssnitt utforskat på BESSY II
"Vi studerade prover med olika tjocklekar av NiOx med hårdröntgenfotoelektronspektroskopi (HAXPES) vid BESSY II och tolkade de uppmätta data med resultat från beräkningar och simuleringar, säger Patrick Schnell, studiens första författare och en Ph.D. student vid HI-SCORE International Research School vid HZB. "Dessa resultat indikerar att ett tunt oxidskikt bildas vid gränsytan, som minskar fotospänningen, " förklarar Abdi.
Outlook:Bättre skyddslager
Övergripande, studien ger nya, grundläggande insikter i den komplexa naturen hos gränssnitt i metalloxidbaserade fotoelektroder. "Dessa insikter är till stor hjälp för utvecklingen av billiga, skalbara metalloxidfotoelektroder, " säger Abdi. α-SnWO 4 är särskilt lovande i detta avseende. "Vi arbetar för närvarande med en alternativ deponeringsprocess för NiOx på α-SnWO 4 som inte leder till bildandet av ett gränsskiktsoxidskikt, som sannolikt är SnO 2 . Om detta lyckas, vi förväntar oss att den fotoelektrokemiska prestandan för α-SnWO 4 kommer att öka avsevärt."
