Hidrógeno solar: Consideremos la estabilidad de los fotoelectrodos
Cómo la estabilidad de los fotoelectrodos y catalizadores puede ser comparada y mejorada en el futuro
En el marco de una colaboración internacional, un equipo del HZB ha examinado los procesos de corrosión de los fotoelectrodos de alta calidad BiVO4 utilizando diferentes métodos de caracterización de última generación. El resultado es el primer estudio de estabilidad operando de fotoanodos de alta pureza BiVO4 durante la reacción fotoelectroquímica de evolución de oxígeno (OER). Este trabajo muestra cómo la estabilidad de los fotoelectrodos y catalizadores puede ser comparada y mejorada en el futuro.
Fotoanodo BiVO4 de gran superficie escalable en FTO con colectores de corriente de Ni.
© HZB
El hidrógeno es un combustible versátil que puede almacenar y liberar energía química cuando sea necesario. El hidrógeno puede producirse de forma climáticamente neutra mediante la división electrolítica del agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la energía solar. Esto puede lograrse fotoelectroquímicamente (PEC), y para este enfoque es necesario tener fotoelectrodos de bajo costo que proporcionen un cierto voltaje bajo la iluminación, y que permanezcan estables en electrolitos acuosos.
Estabilidad de los fotoelectrodos
Sin embargo, aquí está el principal obstáculo; los semiconductores convencionales se corroen muy rápidamente en el agua. Las películas delgadas de óxido de metal son mucho más estables, pero aún así se corroen con el tiempo. Uno de los materiales de fotoanodos más exitosos es el vanadato de bismuto (BiVO4), un óxido de metal complejo en el que las fotocorrientes ya están cerca del límite teórico. Pero el mayor desafío para la división de agua de PEC comercialmente viable es ahora evaluar y mejorar la estabilidad de los materiales de fotoelectrodos durante su operación de PEC.
Con este fin, un equipo del Instituto HZB para Combustibles Solares dirigido por el Prof. Roel van de Krol (HZB) junto con grupos del Instituto Max Planck para la Investigación del Hierro, el Instituto Helmholtz de Erlangen-Nuremberg para la Energía Renovable, la Universidad de Friburgo y el Imperial College de Londres, han utilizado una serie de métodos de caracterización de última generación para comprender los procesos de corrosión de los fotoelectrodos BiVO4 de alta calidad.
Observando el proceso de principio a fin
"Hasta ahora, sólo podíamos examinar los fotoelectrodos antes y después de la corrosión fotoelectroquímica", dice el Dr. Ibbi Ahmet, que inició el estudio junto con Siyuan Zhang del Instituto Max Planck. "Era un poco como leer sólo el primer y el último capítulo de un libro, y no saber cómo murieron todos los personajes". En un primer paso para resolver este problema, el químico proporcionó una serie de películas delgadas de alta pureza de BiVO4 que fueron estudiadas en una celda de flujo de nuevo diseño con diferentes electrolitos bajo una iluminación estándar.
El primer estudio de estabilidad del operando
El resultado es el primer estudio de estabilidad del operando de los fotoanodos de alta pureza BiVO4 durante la reacción fotoelectroquímica de evolución del oxígeno (OER). Utilizando la espectrometría de masas con plasma in situ (ICPMS), fueron capaces de determinar qué elementos se disolvieron de la superficie de los fotoanodos de BiVO4 durante la reacción fotoelectroquímica, en tiempo real.
El número de estabilidad S
"A partir de estas mediciones pudimos determinar un parámetro útil, el número de estabilidad (S)", dice Ibbi. Este número de estabilidad se calcula a partir de la relación entre las moléculas de O2 producidas y el número de átomos de metal disuelto en el electrolito y es, de hecho, una perfecta medida comparable de la estabilidad de los fotoelectrodos. La estabilidad de un fotoelectrodo es alta si la división del agua se produce rápidamente (en este caso la evolución del O2) y pocos átomos de metal entran en el electrolito. Este parámetro también puede utilizarse para determinar el cambio en la estabilidad de los fotoelectrodos durante su vida útil o para evaluar las diferencias en la estabilidad de BiVO4 en varios electrolitos de borato, fosfato y citrato (secuestrador de agujeros) amortiguados por el pH.
Este trabajo muestra cómo la estabilidad de los fotoelectrodos y los catalizadores puede ser comparada en el futuro. Los autores han continuado la colaboración y ahora están utilizando estas valiosas técnicas y conocimientos para diseñar soluciones viables que mejoren la estabilidad de los fotoanodos de BiVO4 y permitan su uso en aplicaciones prácticas a largo plazo.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
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; "Different Photostability of BiVO4 in Near-pH-Neutral Electrolytes"; ACS Applied Energy Materials; 2020
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