Technologie

Anoden für mehr solaren Wasserstoff

09.02.2021 - Wolframat eignet sich sehr gut für die photoelektrochemische Wasserspaltung.

Wasserstoff speichert Energie in chemischer Form und kann auf vielfältige Weise genutzt werden: als Kraftstoff, als Ausgangsstoff für andere Brennstoffe und Chemikalien oder auch zur Strom­erzeugung in Brennstoff­zellen. Wasserstoff lässt sich klimaneutral durch die elektro­chemische Spaltung von Wasser mit Sonnenlicht erzeugen. Die nötige Photospannung und Photostrom liefern geeignete Photo­elektroden unter Lichteinfall, die im Wasser stabil bleiben. Einige Metalloxid­verbindungen erfüllen diese Vorraussetzungen. So erreichen solare Wasserspalter mit Wismut-Vanadat (BiVO4)-Photo­elektroden bereits heute Wirkungsgrade von etwa acht Prozent, was nahe am theo­retischen Maximum des Materials liegt. Um Wirkungsgrade jenseits von neun Prozent zu erreichen, werden neue Materialien mit einer kleineren Bandlücke benötigt.

Das Metalloxid α-SnWO4 hat eine Bandlücke von 1,9 Elektronen­volt, die sich perfekt für die photoelektro­chemische Wasserspaltung eignet. Theoretisch könnte eine Photoanode aus diesem Material um die zwanzig Prozent des eingestrahlten Sonnenlichts in chemische Energie, gespeichert in Form von Wasserstoff, umwandeln. Leider zersetzt sich die Verbindung in wässriger Umgebung sehr schnell. Dünne Schichten aus Nickeloxid (NiOx) können die α-SnWO4-Photoanode vor Korrosion schützen. Dabei wurde jedoch auch festgestellt, dass sie die Photo­spannung deutlich reduzieren. Um zu verstehen, warum dies der Fall ist, hat ein Team um Fatwa Abdi am HZB-Institut für Solare Brennstoffe die α-SnWO4/NiOx-Grenzfläche an der Synchrotron­quelle Bessy II im Detail analysiert.

„Wir haben Proben mit unter­schiedlichen NiOx-Dicken mit harter Röntgen-Photoelektronen­spektroskopie (HAXPES) an Bessy II untersucht und die Messdaten mit Ergebnissen aus Berechnungen und Simulationen inter­pretiert“, sagt Patrick Schnell, Doktorand in der HI-SCORE Inter­national Research School. „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich an der Grenzfläche eine dünne Oxidschicht bildet, die die Photo­spannung reduziert“, sagt Fatwa Abdi.

Insgesamt liefert die Studie grundlegende neue Erkenntnisse über die komplexe Natur von Grenzflächen in Metalloxid-basierten Photo­elektroden. „Diese Einblicke sind sehr hilfreich für die Entwicklung kosten­günstiger, skalierbarer Metalloxid-Photo­elektroden“, sagt Abdi. α-SnWO4 ist in dieser Hinsicht besonders vielversprechend. „Wir arbeiten derzeit an einem alternativen Abscheidungs­prozess für NiOx auf α-SnWO4, der nicht zur Bildung einer Grenzflächen­oxidschicht führt. Wenn dies gelingt, erwarten wir, dass sich die photo­elektrochemische Leistung von α-SnWO4 deutlich erhöhen wird.“

HZB / JOL

Weitere Infos