Die Photoelektrochemie (PEC) birgt das Potenzial, erneuerbare Energien wie Sonnenlicht in nützliche grüne Kraftstoffe umzuwandeln. Allerdings leiden die meisten bekannten PEC-Materialien unter Instabilitätsproblemen, die schwer zu verfolgen sind und zu einem Leistungsabfall im Dauerbetrieb führen.
Ein Forschungsteam der Universität Hamburg, DESY und der LMU München hat im Rahmen des BMBF-Projekts LUCENT einen neuen multimodalen Aufbau entwickelt, der die strukturellen Veränderungen, die sich auf PEC-Material auswirken, unter realistischen Betriebsbedingungen ermittelt. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte Chemie Internationale Ausgabe.
Eine der dringendsten Herausforderungen für die moderne Gesellschaft ist der Übergang von fossilen Brennstoffen zu umweltfreundlichen, erneuerbaren Alternativen. Durch die photoelektrochemische Wasserspaltung kann Sonnenenergie genutzt werden, um Wasser direkt in seine beiden Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff umzuwandeln. Wasserstoff ist von großem Wert, da er einen gemeinsamen Baustein für die industrielle Produktion vieler chemischer Verbindungen darstellt.
Darüber hinaus kann Wasserstoff als grüner Brennstoff gespeichert, transportiert und bei Bedarf verbrannt werden, wodurch Wärme und ein völlig harmloses Abfallprodukt – Wasser – entstehen. Bisher gelang es jedoch keinem PEC-Material, aus dem Labor in ein real funktionierendes Gerät zu übertragen.
Einer der Hauptgründe für den langsamen Aufstieg effizienter photoelektrochemischer Technologien ist ihre geringe Stabilität im Dauerbetrieb. „Die Bedingungen, unter denen photoelektrochemische Prozesse ablaufen können, sind recht rau“, erklärt Dr. Francesco Caddeo von der Universität Hamburg.
„Die Nutzung von Sonnenstrahlung, das Anlegen externer Spannung und das Vorhandensein chemischer Ionen im Elektrolyten führen zu einem schnellen Abbau der meisten photoelektrochemisch aktiven Materialien im Laufe der Zeit. Während viele dieser Abbauphänomene noch weitgehend unbekannt sind, stellt ihre Aufdeckung eine große Herausforderung dar.“ wesentlicher Schritt zur Entwicklung stabilerer und effizienterer PEC-Materialien.“
„Aus chemischer Sicht stellt die photoelektrochemische Wasserspaltung einen recht komplexen Prozess dar. Um die verschiedenen Phänomene zu verstehen, ist der Einsatz komplementärer Techniken, die das Problem aus verschiedenen Blickwinkeln „betrachten“ können, von entscheidender Bedeutung“, erklärt Dorota Koziej, Professorin an am Fachbereich Physik und Mitglied des Exzellenzclusters „CUI: Advanced Imaging of Matter“ der Universität Hamburg.
„Einige Techniken wie die Spektroskopie zielen auf bestimmte chemische Spezies ab, die sich an der Oberfläche des Materials oder im Elektrolyten bilden könnten. Umgekehrt bietet die Röntgenstreuung einen Gesamtüberblick über die Atomanordnung im PEC-Material. Der Schlüssel liegt in der Nutzung der Vorteile.“ jeder Analyse, um den Prozess der Fotoverschlechterung zu rekonstruieren, als ob wir uns an einem Tatort befänden“, sagt Koziej.
Allerdings ist auch die Zeit, die zur Durchführung der analytischen Messung erforderlich ist, ein wichtiger zu berücksichtigender Faktor. „Als wir begannen, die PEC-Eigenschaften von CuBi2O4-Filmen zu untersuchen, stellten wir sofort fest, dass ein schneller Photoabbauprozess stattfand, der zu einem Verlust von rund 90 % der Materialleistung in nur wenigen Betriebsminuten führt“, verrät Davide Derelli von der Universität Hamburg und einer der führenden Wissenschaftler der Studie.
„Wir haben uns daher für die Nutzung der hochbrillanten Röntgenstrahlung der Röntgenstrahlungsquelle PETRA III bei DESY entschieden, um Streumuster mit hoher Zeitauflösung zu sammeln und so die Dynamik des Photodegradationsprozesses genau zu verfolgen.“
Kilian Frank von der LMU erklärt: „Wenn die Röntgenstrahlen mit der Materialoberfläche interagieren, wird die gesamte Strahlung in verschiedenen Winkeln gestreut, wodurch charakteristische Muster entstehen. Bei kleinen Winkeln enthalten die Streumuster Informationen über die äußere Form des PEC-Films, während.“ In größeren Winkeln offenbart es seine atomare Anordnung. Um beide Informationen gleichzeitig zu sammeln, verwendeten wir zwei verschiedene Detektoren, die eine außergewöhnlich umfassende Darstellung der Materialstruktur während des PEC-Betriebs lieferten.“
Prof. Koziej blickt bereits auf die nächsten wissenschaftlichen Herausforderungen. „Das Verständnis des Abbaus von PEC-Materialien im Betrieb stellt nur den ersten Schritt dar. Ziel ist die Entwicklung neuer Strategien, um sowohl die Stabilität als auch die Effizienz von PEC-Geräten zu erhöhen.“
Mehr Informationen:
Davide Derelli et al, Photodegradation of CuBi2O4 Films Evidenced by Fast Formation of Metallic Bi using Surface‐sensitive X‐ray Scattering von Operando, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe (2023). DOI: 10.1002/ange.202307948
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