Водород – важный фактор в устойчивой энергетической системе. Газ хранит энергию в химической форме и может использоваться разными способами: в качестве топлива, в качестве сырья для других видов топлива и химикатов или даже для выработки электроэнергии в топливных элементах. Одним из решений, позволяющих производить водород без ущерба для климата, является электрохимическое расщепление воды с помощью солнечного света.
Для этого требуются фотоэлектроды, которые обеспечивают фотоэдс и фототок при воздействии света и в то же время не подвержены коррозии в воде. Для этого есть многообещающие предпосылки для соединений оксидов металлов.
Например, солнечные устройства для разделения воды, использующие фотоэлектроды из ванадата висмута (BiVO4), уже сегодня достигают ~ 8% эффективности преобразования солнечной энергии в водород, что близко к теоретическому максимуму материала в 9%.
Теоретический предел составляет 20% в ?-SnWO4
Для достижения КПД выше 9% необходимы новые материалы с меньшей шириной запрещенной зоны. Оксид металла ?-SnWO4 имеет ширину запрещенной зоны 1.9 эВ, что идеально подходит для фотоэлектрохимического расщепления воды.
Теоретически фотоанод из этого материала может преобразовывать ~ 20% облученного солнечного света в химическую энергию (хранящуюся в виде водорода). К сожалению, соединение очень быстро разлагается в водной среде.
Защита от коррозии имеет свою цену
Тонкие слои оксида никеля (NiOx) могут защитить ?-Фотоанод SnWO4 от коррозии, но также было обнаружено, что он значительно снижает фотоэдс. Чтобы понять, почему это так, команда во главе с доктором. Фетва Абди из Института солнечного топлива HZB проанализировала ?-Интерфейс SnWO4 / NiOx подробно на BESSY II.
Интерфейс исследован на BESSY II
«Мы изучили образцы NiOx разной толщины с помощью жесткой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (HAXPES) в BESSY II и интерпретировали измеренные данные с результатами расчетов и моделирования», – говорит Патрик Шнелл, первый автор исследования и аспирант в Международная исследовательская школа HI-SCORE при HZB. «Эти результаты показывают, что на границе раздела образуется тонкий оксидный слой, который снижает фотоэдс», – поясняет Абди.
Прогноз: улучшенные уровни защиты
В целом, исследование позволяет по-новому взглянуть на сложную природу границ раздела в фотоэлектродах на основе оксидов металлов. «Эти идеи очень полезны для разработки недорогих масштабируемых фотоэлектродов из оксидов металлов», – говорит Абди. ?-SnWO4 особенно перспективен в этом отношении. «В настоящее время мы работаем над альтернативным процессом осаждения NiOx на ?-SnWO4, который не приводит к образованию межфазного оксидного слоя, который, вероятно, будет SnO2. Если это удастся, мы ожидаем, что фотоэлектрохимические характеристики ? -SnWO4 значительно увеличится."