Erforschung der Rolle von Sauerstoffdefekten in einem Titandioxid-Schutzfilm zur Maximierung der Effizienz der Wasserstoffproduktion

29. Mai 2023

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Wasserstoff hat als saubere und effiziente Energiequelle zunehmend an Bedeutung gewonnen. Doch ist Wasserstoff wirklich umweltfreundlich? Der derzeit am häufigsten verwendete Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird. Da sein Produktionsprozess mit der Erzeugung von Treibhausgasen einhergeht, lässt sich sagen, dass grauer Wasserstoff im engeren Sinne nicht umweltfreundlich ist. Die Ära des grünen Wasserstoffs ohne CO2-Emissionen hat noch nicht begonnen.

Das Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) hat den Schlüssel zur Langlebigkeit und Effizienz einer Photoanode mit Schutzfilm aufgezeigt, die zur Herstellung von Wasserstoff durch Wasserspaltung mithilfe von Sonnenenergie verwendet wird. Dies soll die Ära des umweltfreundlichen grünen Wasserstoffs vorantreiben.

Grüner Wasserstoff wird ohne Kohlenstoffemissionen durch den Einsatz erneuerbarer Energiequellen hergestellt. Eine repräsentative Methode zur Herstellung von grünem Wasserstoff ist die photoelektrochemische Wasserspaltung mithilfe einer Photoanode, die direkt in den Elektrolyten eingetaucht ist und Sonnenlicht absorbieren kann. Dadurch spaltet die Photoanode das in Kontakt kommende Wasser mithilfe der absorbierten Sonnenenergie direkt in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Da die Photoanode jedoch in direktem Kontakt mit dem Elektrolyten steht, ist sie anfällig für Oberflächenkorrosion. Auf der Oberfläche wurden Oberflächenschutzbeschichtungen aufgebracht, um Oberflächenkorrosion zu verhindern.

Typischerweise werden Oxidmaterialien wie Titandioxid (TiO2) als Schutzfilme für Photoanoden verwendet. Obwohl Oxidmaterialien schlechte Stromleiter sind, kann ihre Leitfähigkeit moduliert werden, wenn Sauerstoffdefekte entstehen, die als Kanal für den Ladungstransport dienen. Der Schlüssel zur Verlängerung der Lebensdauer von Photoanoden liegt in der Entwicklung eines Schutzfilms, der langlebig genug ist, um Elektrodenkorrosion zu verhindern und eine optimale elektrische Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten.

KRISS hat die weltweit erste Technologie zur systematischen Modulation des Ausmaßes von Sauerstoffdefekten in einem Titandioxid (TiO2)-Schutzfilm einer Photoanode entwickelt, um die Effizienz der Wasserstoffproduktion zu maximieren. Um die Rolle von Sauerstoffdefekten im Ladungsübertragungsmechanismus zu untersuchen, ermittelte das Forschungsteam mithilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie und elektrochemischer Analyse die optimalen Defektniveaus, die die Lebensdauer der Photoanode und die Wasserstoffproduktion maximieren

Im Gegensatz zu früheren Studien, die sich auf spontan gebildete Sauerstoffdefekte im Schutzfilm während des Herstellungsprozesses stützten, schlägt diese Forschung eine direkte Produktionsmethode vor, die den Grad der Sauerstoffdefekte kontrolliert und so eine Massenproduktion ermöglicht.

Den experimentellen Ergebnissen zufolge verschlechterte sich die Lebensdauer der Photoanode ohne Schutzfilm innerhalb einer Stunde rapide, was dazu führte, dass die Effizienz der Wasserstoffproduktion im Vergleich zum Ausgangszustand unter 20 % sank. Andererseits behielt die Photoanode mit optimierter Schutzfolie auch nach 100 Stunden eine Wasserstoffproduktionseffizienz von über 85 % bei.

Diese Errungenschaft hat das Potenzial, die Effizienz und Lebensdauer von Photoanoden zu verbessern und kann auf andere saubere Technologien angewendet werden, die auf Photoanoden basieren. Ein Beispiel dafür ist die künstliche Photosynthese-Technologie, die Kohlendioxid einfängt und es mithilfe von Sonnenenergie in eine chemische Energiequelle umwandelt.

Dr. Ansoon Kim, leitender Forscher am KRISS Interdisciplinary Materials Measurement Institute, sagte: „Dieser Ansatz kann die Lebensdauer der Photoanode um etwa das Zehnfache verlängern und erheblich zur Kommerzialisierung von grünem Wasserstoff beitragen.“

KRISS plant weitere Forschungen, um die optimalen Werte für Sauerstoffdefekte und die zugrunde liegenden Prinzipien aufzudecken, die die Lebensdauer von Photoanoden maximieren.

Die Forschung wurde im Journal of Materials Chemistry A veröffentlicht.

Mehr Informationen: Songwoung Hong et al., Rolle der Defektdichte in der TiOx-Schutzschicht der n-Si-Photoanode für eine effiziente photoelektrochemische Wasserspaltung, Journal of Materials Chemistry A (2023). DOI: 10.1039/D2TA07082K