Hidrógeno solar: Los fotoánodos fabricados con α-SnWO4 prometen altas eficiencias
Los fotoánodos de óxidos metálicos se consideran una solución viable para la producción de hidrógeno con luz solar. El α-SnWO4 tiene unas propiedades electrónicas óptimas para la división fotoelectroquímica del agua con luz solar, pero se corroe con facilidad. Las capas protectoras de óxido de níquel evitan la corrosión, pero reducen la fotovoltaje y limitan la eficiencia. Ahora, un equipo de HZB ha investigado en BESSY II lo que ocurre en la interfaz entre el fotoánodo y la capa protectora. Combinados con métodos teóricos, los datos de las mediciones revelan la presencia de una capa de óxido que perjudica la eficiencia del fotoánodo.
Imagen TEM de una película de α-SnWO4 (rosa) recubierta con 20 nm de NiOx (verde). En la interfaz de α-SnWO4 y NiOx se observa una capa interfacial adicional.
© HZB
El hidrógeno es un factor importante en un sistema energético sostenible. Este gas almacena energía en forma química y puede utilizarse de muchas maneras: como combustible, como materia prima para otros combustibles y productos químicos o incluso para generar electricidad en pilas de combustible. Una solución para producir hidrógeno de forma climáticamente neutra es la división electroquímica del agua con ayuda de la luz solar. Para ello se necesitan fotoelectrodos que proporcionen una fotovoltaje y una fotocorriente cuando se exponen a la luz y que, al mismo tiempo, no se corroan en el agua. Los compuestos de óxido metálico reúnen condiciones prometedoras para ello. Por ejemplo, los dispositivos de división de agua solar que utilizan fotoelectrodos de vanadato de bismuto (BiVO4) alcanzan ya hoy en día una eficiencia de conversión de energía solar en hidrógeno del ~8%, lo que se acerca al máximo teórico del material del 9%.
El límite teórico es del 20% en α-SnWO4
Para lograr eficiencias superiores al 9%, se necesitan nuevos materiales con una brecha de banda más pequeña. El óxido metálico α-SnWO4 tiene una brecha de banda de 1,9 eV, que es perfectamente adecuada para la división fotoelectroquímica del agua. En teoría, un fotoánodo hecho de este material podría convertir el ~20% de la luz solar irradiada en energía química (almacenada en forma de hidrógeno). Por desgracia, el compuesto se degrada muy rápidamente en un entorno acuoso.
La protección contra la corrosión tiene un precio
Unas finas capas de óxido de níquel (NiOx) pueden proteger el fotoánodo α-SnWO4 de la corrosión, pero se descubrió que también reducen significativamente la fotovoltaje. Para entender por qué ocurre esto, un equipo dirigido por el Dr. Fatwa Abdi en el Instituto HZB de Combustibles Solares ha analizado en detalle la interfaz α-SnWO4/NiOx en BESSY II.
Interfaz explorada en BESSY II
"Estudiamos muestras con diferentes espesores de NiOx con espectroscopia de fotoelectrones de rayos X duros (HAXPES) en BESSY II e interpretamos los datos medidos con los resultados de los cálculos y las simulaciones", afirma Patrick Schnell, primer autor del estudio y estudiante de doctorado en la Escuela Internacional de Investigación HI-SCORE de HZB. "Estos resultados indican que se forma una fina capa de óxido en la interfaz, que reduce la fotovoltaje", explica Abdi.
Perspectiva: mejores capas de protección
En general, el estudio aporta nuevos conocimientos fundamentales sobre la compleja naturaleza de las interfaces en los fotoelectrodos basados en óxidos metálicos. "Estos conocimientos son muy útiles para el desarrollo de fotoelectrodos de óxido metálico de bajo coste y escalables", afirma Abdi. α-SnWO4 es especialmente prometedor en este sentido. "Actualmente estamos trabajando en un proceso alternativo de deposición de NiOx sobre α-SnWO4 que no dé lugar a la formación de una capa de óxido interfacial, que probablemente sea de SnO2. Si esto tiene éxito, esperamos que el rendimiento fotoelectroquímico de α -SnWO4 aumente significativamente".
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
Patrick Schnell, Moritz Kölbach, Markus Schleuning, Keisuke Obata, Rowshanak Irani, Ibbi Y. Ahmet, Moussab Harb, David E. Starr, Roel van de Krol, Fatwa F. Abdi; "Interfacial Oxide Formation Limits the Photovoltage of α‐SnWO4/NiOx Photoanodes Prepared by Pulsed Laser Deposition"; Advanced Energy Materials; 2021
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