Berlin – Wasserstoff lässt sich klimaneutral erzeugen, wenn man die elektrolytische Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Solarenergie erreicht. Für diesen Ansatz seien kostengünstige Photoelektroden erforderlich, die unter Beleuchtung eine bestimmte Photospannung liefern und in wässrigen Elektrolyten stabil bleiben, heißt es in einer Mitteilung des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB). Allerdings korrodieren „konventionelle Halbleiter in Wasser sehr schnell“, so die Forscher. Metalloxid-Dünnschichten seien zwar stabiler, korrodierten aber dennoch mit der Zeit. Eines der erfolgreichsten Photoanodenmaterialien sei Wismutvanadat (BiVO4), ein Metalloxid, in dem die Photoströme bereits nahe an der theoretischen Grenze lägen. „Die größte Herausforderung für eine kommerziell nutzbare PEC-Wasserspaltung besteht darin, die Stabilität von Photoelektrodenmaterialien während ihres PEC-Betriebs zu bewerten und zu verbessern“, erklären die Wissenschaftler.
Um die Korrosionsprozesse von hochwertigen BiVO4-Photoelektroden zu verstehen, hat ein internationales Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe unter der Leitung von Roel van de Krol die Vorgänge untersucht. „Bisher konnten wir nur Photoelektroden vor und nach photoelektrochemischer Korrosion untersuchen“, sagt Ibbi Ahmet (HZB), der die Studie zusammen mit Siyuan Zhang vom Max-Planck-Institut initiiert hat. „Es war ein bisschen so, als würde man nur das erste und das letzte Kapitel eines Buches lesen und nicht wissen, wie alle Charaktere gestorben sind.“ Daher wurden die Prozesse nunmehr „in operando“ bei der elektrolytischen Wasserspaltung während der Sauerstoff-Entwicklungsreaktion (OER) beobachtet und die Stabilität von Photoelektroden und Katalysatoren verglichen.
Die Forscher konnten „in Echtzeit bestimmen, welche Elemente während der photoelektrochemischen Reaktion von der Oberfläche der BiVO4-Photoanoden gelöst wurden“. Ein Ergebnis der Arbeiten ist die Bestimmung eines Parameters, die Stabilitätszahl (S), sagt Ahmet. Diese werde aus dem Verhältnis zwischen den erzeugten Sauerstoffmolekülen und der Anzahl der gelösten Metallatome im Elektrolyten berechnet und sei „ein perfekt vergleichbares Maß für die Photoelektrodenstabilität“. Die Stabilität sei hoch, wenn die Spaltung von Wasser schnell voranschreite und nur wenige Metallatome in den Elektrolyten gelangten. In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler „praktikable Lösungen zur Verbesserung der Stabilität von BiVO4-Fotoanoden entwerfen und deren Einsatz in langfristigen praktischen Anwendungen ermöglichen“.
Die Arbeit wurde publiziert in: ACS Applied Energy Materials (2020): „Different Photostability of BiVO4 in Near-pH-Neutral Electrolytes“. Siyuan Zhang, Ibbi Ahmet, Se-Ho Kim, Olga Kasian, Andrea M. Mingers, Patrick Schnell, Moritz Kölbach, Joohyun Lim, Anna Fischer, Karl J. J. Mayrhofer, Serhiy Cherevko, Baptiste Gault, Roel van de Krol, and Christina Scheu. (DOI: 10.1021/acsaem.0c01904)
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Skalierbare großflächige BiVO4-Photoanode: Forscher am HZB wollen praktikable Lösungen zur Verbesserung der Stabilität entwerfen / © HZB
