{"id":81106,"date":"2020-11-05T06:45:44","date_gmt":"2020-11-05T05:45:44","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=https%3A%2F%2Fwww.chemie.de%2Fnews%2F1168403%2Fsolarer-wasserstoff-mass-fuer-die-stabilitaet-von-photoelektroden.html%3FWT.mc_id%3Dca0065"},"modified":"2021-09-09T21:14:38","modified_gmt":"2021-09-09T19:14:38","slug":"solarer-wasserstoff-mass-fuer-die-stabilitaet-von-photoelektroden","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/solarer-wasserstoff-mass-fuer-die-stabilitaet-von-photoelektroden\/","title":{"rendered":"Solarer Wasserstoff: Ma\u00df f\u00fcr die Stabilit\u00e4t von Photoelektroden"},"content":{"rendered":"

Sonnenenergie kann zur Herstellung von Wasserstoff, einem vielseitigen Brennstoff, genutzt werden. Um dies durch elektrolytische Wasserspaltung zu erreichen, werden hochwertige Photoelektroden ben\u00f6tigt. Leider neigen die bekannten Materialien dazu, w\u00e4hrend des Prozesses zu korrodieren. Nun hat ein Team am HZB in internationaler Zusammenarbeit die Korrosionsprozesse von hochwertigen BiVO4<\/sub>-Photoelektroden untersucht. Sie beobachteten die Prozesse “in operando” (bei der elektrolytischen Wasserspaltung) w\u00e4hrend der Sauerstoff-Entwicklungsreaktion (OER). Diese Arbeit zeigt, wie die Stabilit\u00e4t von Photoelektroden und Katalysatoren verglichen und so auch verbessert werden kann.<\/strong><\/p>\n

\"Skalierbare
Skalierbare gro\u00dffl\u00e4chige BiVO4<\/sub>-Photoanode auf FTO mit Ni-Stromabnehmern. \u00a9 HZB<\/figcaption><\/figure>\n

Wasserstoff ist ein vielseitiger Brennstoff, der chemische Energie speichern und bei Bedarf freisetzen kann. Dieser Brennstoff l\u00e4sst sich klimaneutral erzeugen, wenn man die elektrolytische Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Solarenergie erreicht. F\u00fcr diesen Ansatz sind kosteng\u00fcnstige Photoelektroden erforderlich, die unter Beleuchtung eine bestimmte Photospannung liefern und in w\u00e4ssrigen Elektrolyten stabil bleiben.<\/p>\n

Korrosion w\u00e4hrend der Elektrolyse<\/h3>\n

Hier liegt jedoch das Haupthindernis; konventionelle Halbleiter korrodieren in Wasser sehr schnell. Metalloxid-D\u00fcnnschichten sind viel stabiler, korrodieren aber dennoch mit der Zeit. Eines der erfolgreichsten Photoanodenmaterialien ist Wismutvanadat (BiVO4), ein komplexes Metalloxid, in dem die Photostr\u00f6me bereits nahe an der theoretischen Grenze liegen. Die gr\u00f6\u00dfte Herausforderung f\u00fcr eine kommerziell nutzbare PEC-Wasserspaltung besteht darin, die Stabilit\u00e4t von Photoelektrodenmaterialien w\u00e4hrend ihres PEC-Betriebs zu bewerten und zu verbessern.<\/p>\n

\"Mit
Mit den Ergebnissen l\u00e4sst sich Stabilit\u00e4t von BiVO4<\/sub> in verschiedenen pH-gepufferten Borat-, Phosphat- und Citrat-Elektrolyten beurteilen. \u00a9 https:\/\/pubs.acs.org\/doi\/10.1021\/acsaem.0c01904<\/figcaption><\/figure>\n

Zu diesem Zweck hat ein Team des HZB-Instituts f\u00fcr Solare Brennstoffe unter der Leitung von Prof. Roel van de Krol zusammen mit Gruppen des Max-Planck-Instituts f\u00fcr Eisenforschung, des Helmholtz-Instituts Erlangen-N\u00fcrnberg f\u00fcr Erneuerbare Energien, der Universit\u00e4t Freiburg und des Imperial College London eine Reihe modernster Charakterisierungsmethoden eingesetzt, um die Korrosionsprozesse von hochwertigen BiVO4<\/sub>-Photoelektroden zu verstehen.<\/p>\n

Von Beginn bis zum Ende untersucht<\/h3>\n

“Bisher konnten wir nur Photoelektroden vor und nach photoelektrochemischer Korrosion untersuchen”, sagt Dr. Ibbi Ahmet (HZB), der die Studie zusammen mit Siyuan Zhang vom Max-Planck-Institut initiiert hat. “Es war ein bisschen so, als w\u00fcrde man nur das erste und das letzte Kapitel eines Buches lesen und nicht wissen, wie alle Charaktere gestorben sind”. In einem ersten Schritt zur L\u00f6sung dieses Problems stellte der Chemiker eine Reihe von hochreinen BiVO4<\/sub>-D\u00fcnnfilmen zur Verf\u00fcgung, die in einer neu konzipierten Durchflusszelle mit verschiedenen Elektrolyten unter Standardbeleuchtung untersucht wurden.<\/p>\n

Erste “operando”-Stabilit\u00e4tsstudie<\/h3>\n

Das Ergebnis ist die erste operando-Stabilit\u00e4tsstudie von hochreinen BiVO4<\/sub>-Photoanoden w\u00e4hrend der photoelektrochemischen Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Mit Hilfe der In-situ-Plasma-Massenspektrometrie (ICPMS) konnten sie in Echtzeit bestimmen, welche Elemente w\u00e4hrend der photoelektrochemischen Reaktion von der Oberfl\u00e4che der BiVO4<\/sub>-Photoanoden gel\u00f6st wurden.<\/p>\n

Stabilit\u00e4tszahl S<\/h3>\n

“Aus diesen Messungen konnten wir einen n\u00fctzlichen Parameter, die Stabilit\u00e4tszahl (S), bestimmen”, sagt Ahmet. Diese Stabilit\u00e4tszahl wird aus dem Verh\u00e4ltnis zwischen den erzeugten O2<\/sub>-Molek\u00fclen und der Anzahl der gel\u00f6sten Metallatome im Elektrolyten berechnet und ist in der Tat ein perfekt vergleichbares Ma\u00df f\u00fcr die Photoelektrodenstabilit\u00e4t. Die Stabilit\u00e4t einer Photoelektrode ist hoch, wenn die Spaltung von Wasser schnell voranschreitet (in diesem Fall die Entwicklung von O2<\/sub>) und nur wenige Metallatome in den Elektrolyten gelangen. Dieser Parameter kann auch verwendet werden, um die Ver\u00e4nderung der Photoelektrodenstabilit\u00e4t w\u00e4hrend ihrer Lebensdauer zu bestimmen oder Unterschiede in der Stabilit\u00e4t von BiVO4<\/sub> in verschiedenen pH-gepufferten Borat-, Phosphat- und Citrat-(Lochf\u00e4nger-)Elektrolyten zu beurteilen.<\/p>\n

Gezielte Verbesserungen<\/h2>\n

Diese Arbeit zeigt, wie die Stabilit\u00e4t von Photoelektroden und Katalysatoren in der Zukunft verglichen werden kann. Die Autoren haben die Zusammenarbeit fortgesetzt und nutzen nun diese wertvollen Techniken und Erkenntnisse, um praktikable L\u00f6sungen zur Verbesserung der Stabilit\u00e4t von BiVO4<\/sub>-Fotoanoden zu entwerfen und deren Einsatz in langfristigen praktischen Anwendungen zu erm\u00f6glichen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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