Rost skulle vara ett extremt billigt och stabilt fotoelektrodmaterial för att producera grönt väte med ljus. Men effektiviteten är begränsad. TEM-bilden visar en fotoanod som innehåller ett tunt fotoaktivt lager av rost. Kredit:Technion
Vätgas kommer att behövas i stora mängder som energibärare och råvara i framtidens energisystem. För att uppnå detta, dock, väte måste produceras på ett klimatneutralt sätt, till exempel genom så kallad fotoelektrolys, genom att använda solljus för att dela vatten till väte och syre. Som fotoelektroder, Det behövs halvledande material som omvandlar solljus till elektricitet och förblir stabila i vatten. Metalloxider är bland de bästa kandidaterna för stabila och billiga fotoelektroder. Vissa av dessa metalloxider har också katalytiskt aktiva ytor som påskyndar bildningen av väte vid katoden eller syre vid anoden.
Varför är inte rost mycket bättre?
Forskning har länge fokuserat på hematit (α-Fe 2 O 3 ), som är allmänt känt som rost. Hematit är stabilt i vatten, extremt billig och väl lämpad som fotoanod med en påvisad katalytisk aktivitet för syreutveckling. Även om forskning på hematitfotoanoder har pågått i cirka 50 år, fotoströmkonverteringseffektiviteten är mindre än 50 % av det teoretiska maxvärdet. Som jämförelse, fotoströmseffektiviteten hos halvledarmaterialet kisel, som nu dominerar nästan 90 % av solcellsmarknaden, är cirka 90 % av det teoretiska maxvärdet.
Forskare har undrat över detta länge. Vad exakt har förbisetts? Vad är anledningen till att endast blygsamma effektivitetsökningar har uppnåtts?
Israelisk-tyska laget löser pusslet
I en nyligen publicerad studie publicerad i Naturmaterial , dock, ett team ledd av Dr Daniel Grave (Ben Gurion University), Dr. Dennis Friedrich (HZB) och Prof. Dr. Avner Rothschild (Technion) har gett en förklaring till varför hematit så långt understiger det beräknade maxvärdet. Gruppen på Technion undersökte hur våglängden av absorberat ljus i hematit tunna filmer påverkar de fotoelektrokemiska egenskaperna, medan HZB-teamet bestämde de våglängdsberoende laddningsbäraregenskaperna i tunna filmer av rost med tidsupplösta mikrovågsmätningar.
Grundläggande fysisk egendom extraherad
Genom att kombinera sina resultat, forskarna lyckades utvinna en grundläggande fysisk egenskap hos materialet som i allmänhet hade försummats när man övervägde oorganiska solabsorbenter:The photogeneration yield spectrum. "På ett ungefär, detta betyder att endast en del av energin i ljuset som absorberas av hematit genererar mobila laddningsbärare, resten genererar ganska lokaliserade exciterade tillstånd och går därmed förlorat, " förklarar Grave.
Rost blir inte mycket bättre
"Detta nya tillvägagångssätt ger experimentell insikt i ljus-materia-interaktion i hematit och gör det möjligt att skilja dess optiska absorptionsspektrum i produktiv absorption och icke-produktiv absorption, " Rothschild förklarar. "Vi kunde visa att den effektiva övre gränsen för omvandlingseffektiviteten för hematitfotoanoder är betydligt lägre än vad som förväntas baserat på ovanstående bandgap-absorption, " säger Grave. Enligt den nya beräkningen, dagens "mästare" hematitfotoanoder har redan kommit ganska nära det teoretiskt möjliga maximum. Så mycket bättre än så blir det inte.
Bedömning av nya fotoelektrodmaterial
Metoden har också framgångsrikt tillämpats på TiO 2 , ett modellmaterial, och BiVO 4 , som för närvarande är det bästa metalloxidfotoanodmaterialet. "Med detta nya tillvägagångssätt, vi har lagt till ett kraftfullt verktyg till vår arsenal som gör det möjligt för oss att identifiera den realiserbara potentialen hos fotoelektrodmaterial. Att implementera detta till nya material kommer förhoppningsvis att påskynda upptäckten och utvecklingen av den idealiska fotoelektroden för solvattenklyvning. Det skulle också tillåta oss att "misslyckas snabbt", vilket utan tvekan är lika viktigt när man utvecklar nya absorbermaterial, säger Friedrich.
