Goedkope, efficiënte en stabiele foto-elektrode voor waterontleding met zonne-energie

Foto-elektrochemische (PEC) waterontleding (in waterstof en zuurstof) wordt gezien als een duurzame methode voor de productie van schone en hernieuwbare brandstof. Hierbij wordt zonne-energie direct omgezet in chemische energie. De waterstof kan bijvoorbeeld worden gebruikt in brandstofcellen van elektrische auto’s, of omgezet in andere duurzame stoffen.

"Samen met collega’s van Amolf (Amsterdam) hebben we een foto-elektrode gemaakt, een materiaal dat licht absorbeert en water direct ontleedt, met een zeer grote efficiëntie en meer dan 200 uur stabiliteit", zegt Wilson Smith, onderzoeker bij de afdeling Chemical Engineering  van de TU Delft. "Dat is bijzonder, want meestal wordt er niet meer dan vijf uur stabiliteit bereikt. We gebruiken silicium wafers als lichtabsorberend materiaal, zodat de foto-elektrode ook nog heel goedkoop is."

"Kortom, we hebben nu een materiaal dat goedkoop is, veel licht absorbeert, een hoge katalytische efficiëntie heeft en ook nog eens heel stabiel is".

MIS

Het is essentieel dat een PEC-systeem een voldoende grote fotostroom en fotospanning levert om de wateroxidatiereactie mogelijk te maken. Er is meestal een balans tussen efficiëntie en stabiliteit: als je het een aanpakt, wordt het andere meestal slechter. "In deze aanpak hebben we de stabiliteit en problemen met de katalyse onafhankelijk van elkaar aangepakt, en daarna in één simpel systeem gecombineerd. We gebruiken een nieuw ontworpen isolatielaag om de silicium foto-electrode te stabiliseren, en tegelijkertijd twee metalen om het foto-voltage omhoog te krijgen. Deze aanpak, het maken van een zogenoemde metaal-isolator-halfgeleider-overgang (MIS, metal-insulator-semiconductor junction) is al eerder efficiënt gebleken, maar nog niet duurzaam", legt Smith uit.

Duurzaamheid

"De MIS-constructie heeft grote voordelen voor waterontleding met zonne-energie, maar het is dus moeilijk om een goede balans te vinden tussen de efficiëntie en de duurzaamheid op de lange termijn", zegt Smith. Daarom zijn veel inspanningen gericht op de bescherming van de foto-elektrode. Nikkel (Ni) is een aantrekkelijk materiaal met alle voor MIS-fotoanodes vereiste functionaliteiten: hoge werkzaamheid voor opwekking van fotospanning, een actieve katalysator voor wateroxidatie en een hoge chemische stabiliteit in een sterk alkalische oplossing.

Ni absorbeert echter licht, en heeft daardoor invloed op de werking van de foto-elektrode, en zou daarom heel dun gemaakt moeten worden (2 nm). Maar zo’n dunne Ni-laag kan de fotoanode echter weer niet volledig beschermen in een zeer corrosieve elektrolyt met een pH van 14.

Eenvoudig

De onderzoekers hebben nu een constructie gemaakt met overgangen tussen metaal en isolator en tussen isolator en halfgeleider, die een MIS-fotoanode oplevert met een hoge efficiëntie en een hoge stabiliteit. Meer specifiek: ze hebben een Al₂O₃-laag en twee metalen, Pt en Ni, geïntroduceerd. Met deze eenvoudige maar effectieve aanpak van de bescherming bereiken ze dus een werking van meer dan 200 uur van een MIS-fotoanode met constant hoge fotostromen in een sterk basische oplossing. Deze aanpak kan worden geïntegreerd in bestaande PV-technologieën, wat het veelbelovend maakt voor toekomstige toepassingen.

Voor succesvolle spontane waterontleding moet de fotoanode worden gecombineerd met foto-elektrodes met een grotere band gap (bandkloof) in een serie- of tandemconstructie. Dit zou leiden tot een eenvoudiger ontwerp voor een uiterst efficiënt foto-elektrochemisch apparaat voor waterontleding met zonne-energie.

"Interfacial engineering of metal-insulator-semiconductor junctions for efficient and stable photoelectrochemical water oxidation", door Ibadillah Digdaya, Gede Adhyaksa, Bartek Trześniewski, Erik Garnett en Wilson Smith. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS15968