Ein skalierbares photoelektrochemisches System zur grünen Wasserstoffproduktion

10. Februar 2024 Merkmal

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Wenn sie mit Solar- oder einer anderen erneuerbaren Energie realisiert wird, könnte die Wasserspaltung eine vielversprechende Möglichkeit zur nachhaltigen Produktion von Wasserstoff (H2) im großen Maßstab sein. Die bisher vorgeschlagenen photoelektrochemischen Wasserspaltungssysteme haben sich jedoch als ineffizient, instabil oder schwer in großem Maßstab umsetzbar erwiesen.

Forscher der Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) haben kürzlich ein skalierbares und effizientes photoelektrochemisches (PEC) System zur Produktion von grünem Wasserstoff entwickelt. Ihr vorgeschlagenes System, das in Nature Energy skizziert ist, basiert auf einer innovativen Formamidinium-Blei-Triiodid (FAPbI3)-Perowskit-basierten Fotoanode, die von einem Ni-Folie/NiFeOOH-Elektrokatalysator umgeben ist.

'Unsere Gruppe hat die mit der praktischen Produktion von Sonnenwasserstoff verbundenen Herausforderungen gründlich untersucht', sagte Jae Sung Lee, Professor für Energie- und Chemieingenieurwesen an der UNIST und Mitautor des Papers, zu Tech Xplore. 'Wie in unserem neuesten Übersichtsartikel zusammengefasst, ist eine minimale Effizienz von 10% für die solarto-Wasserstoff (STH)-Effizienz erforderlich, um ein praktisch umsetzbares PEC-System zu entwickeln, wobei die Auswahl eines effizienten Materials das erste Kriterium darstellt.'

Bisher wurden bei der Umsetzung der photoelektrochemischen Wasserstoffproduktion hauptsächlich intrinsisch stabile Metalloxide als Fotoelektrodenmaterialien von PEC-Zellen eingesetzt. Diese Systeme haben jedoch Effizienzen erzielt, die weit unterhalb der für ihre praktische Anwendung erforderlichen liegen.

Einige Forscher haben daher das Potenzial von Fotoelektroden auf Basis von Photovoltaik (PV)-Materialien, wie Silizium, Perowskiten, Chalkogeniden und III-V Materialklassen, untersucht. Diese Materialien sind bekannt für ihre bemerkenswerten Effizienzen, können jedoch manchmal teuer und instabil sein, insbesondere wenn sie in Wasser platziert werden, wie es der Fall wäre, wenn sie in PEC-Wasserspaltungszellen eingeführt werden.

'Im Gegensatz zu anderen PV-Materialien weisen Metal-Halid-Perowskite (MHP) einzigartige Eigenschaften hoher Effizienz, jedoch niedriger Kosten auf und könnten ein alternatives Fotoelektrodenmaterial werden, wenn ihr Stabilitätsproblem richtig adressiert wird', sagte Lee. 'Die MHP-Materialien weisen exzellente optoelektronische Eigenschaften und eine einstellbare Bandlücke auf, die erforderlich sind, um den notwendigen Fotostrom und die Fotospannung bereitzustellen, um Wasser zu spalten und in einer einzigen PEC-Zelle Sauerstoff und Wasserstoff zu produzieren.'

Um effektive Fotoelektroden auf Basis von MHPs zu entwickeln, mussten die Forscher zunächst eine entscheidende Herausforderung angehen, nämlich ihre Stabilität unter feuchten Bedingungen und bei UV-Licht. Um dies zu erreichen, versuchten sie, sie durch Metall-Verkapselungs- oder Metall-Schutztechniken zu stabilisieren und den UV-stabilen FAPbI3-Perowskit anzuwenden.

'Eine weitere Herausforderung für praktische Anwendungen ist die Skalierbarkeit, oder anders ausgedrückt, die Aufrechterhaltung der hohen Effizienz von Laborzellen (die <1 cm² groß sind) bei praktischen großflächigen Umsetzungen (1 m²)', sagte Lee. 'Für unsere Studie haben wir das effizienteste und stabilste MHP-Material (FAPbI3) ausgewählt und es mit einer dicken Nickelfolie (30 mm) umhüllt, die mit einem NiFeOOH-Katalysator zum Schutz des MHP in Wasser und zur Förderung der Sauerstoffentwicklung für die Wasserspaltung versehen ist,'

Die Forscher entwickelten zunächst eine kleinformatige Version ihres vorgeschlagenen Systems, basierend auf einer Fotoelektrode mit einer Größe von unter 1 cm². In ersten Tests erreichte dieses laborbasierte System eine STH-Effizienz von 9,89% und eine Langzeitstabilität.

'Anschließend haben wir dieses Kleinflächengerät mithilfe eines modulbasierten Designs in ein praktisches großflächiges PEC-System hochskaliert', sagte Lee. 'Wir haben dies realisiert, indem wir ein 7,68 cm² großes Gerät als Grundmodul ausgewählt und es horizontal und vertikal wiederholt haben, um ein großflächiges Gerät herzustellen.'

Bemerkenswerterweise stellten Lee und seine Kollegen fest, dass die Hochskalierung ihres Systems nur zu einem minimalen Verlust an Effizienz führte. Darüber hinaus behielt das hochskalierte System seine Langzeitstabilität bei, was darauf hindeutet, dass ihr Design sehr gut skalierbar ist.

'Unser gesamtes PEC-System aus MHP besteht aus einer FAPbI3-Photoanode, die eine dünne MHP-Schicht darstellt und durch eine Nickelmetallfolie als Schutzschicht und durch NiFeOOH als Katalysatorschicht umgeben ist', sagte Lee.

'We optimized this photoanode using different metal foils and studied the in-depth catalyst-electrolyte interactions. This photoanode was connected in parallel to another MHP thin film as PV in a single reactor to generate enough voltage (~2 V) to split water molecules into O2 and H2 gases. In a large scale system, both components (photoanode and PV) are integrated in single PEC device to simplify the total system by a modular design.'

The researchers' mini-module is essentially made up of a photoelectrode and a PV unit cell, arranged in a 4 x 4 array. Their system integrates multiple components in a single PEC device to eliminate the need for additional PV components.

This unique design reduces their system's complexity and lowers its fabrication costs. Lee and his colleagues demonstrated that their system retains a good performance even when deployed in a larger scale, which could facilitate its future real-world deployment.

'The short-term demonstration of our scalable system will lead toward practical application of PEC technology for green hydrogen production in outdoor conditions,' Lee added. 'We also plan to further improve the efficiency and stability of the PEC system by integration of photoelectrodes and selecting more efficient and durable catalyst. We look [forward to] the opportunity to demonstrate a pilot scale solar hydrogen production system under natural sunlight using our technology.'

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