Erforschung von Selbstheilungsmechanismen für die stabile photoelektrochemische Wasserspaltung

Das Erreichen der Stabilität stellt bei der praktischen Umsetzung der photoelektrochemischen (PEC) Wasserspaltung eine erhebliche Herausforderung dar. Die Hauptfaktoren, die die Langzeitstabilität von PEC-Geräten beeinträchtigen, sind chemische und Photokorrosion der Halbleiterlichtabsorber, zusammen mit Schäden an der Oberflächenschutzschicht und dem Verlust oder Wiederaufbau der aktiven Zentren der Cokatalysatoren.

Die Einführung des Konzepts der Selbstheilung bietet neue Strategien zur Verbesserung der Stabilität der Halbleiterlichtabsorber, Schutzschichten und Cokatalysatoren in PEC-Wasserspaltungsstudien. Die kontinuierliche Erforschung dieser dynamischen Reparaturstrategien dürfte die Langzeitstabilität der PEC-Geräte verbessern.

Kürzlich untersuchte ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Yanbo Li von der University of Electronic Science and Technology of China die Deaktivierungsmechanismen verschiedener Halbleiterlichtabsorber, Schutzschichten und Cokatalysatoren unter Betriebsbedingungen sowie die entsprechenden Regenerations- und Reparaturstrategien. Diese Rezension wurde veröffentlicht in Chinesisches Journal für Katalyse.

Die Degradationsmechanismen verschiedener Halbleiter-Lichtabsorber, Schutzschichten und Co-Katalysatoren unter Betriebsbedingungen sind wie folgt: Halbleiter mit schmaler Bandlücke, wie etwa Si-basierte (n-Si oder p-Si) oder III-V-Halbleiter (GaAs, InP usw.), erfahren überwiegend chemische Korrosion durch den Elektrolyten, was zu instabilen physikochemischen Eigenschaften und beschleunigter Korrosion unter Beleuchtung oder angelegter Vorspannung führt.

Denn Halbleiter mit geeigneten Bandlücken, wie etwa Nichtoxidhalbleiter (z. B. Metallsulfide/-selenide, -nitride, -oxynitride, -phosphide usw.), neigen aufgrund thermodynamischer Faktoren zur Oxidation durch Photoelektronen erzeugter Löcher. Metalloxidhalbleiter, wie etwa Cu2O, neigen aufgrund thermodynamischer Faktoren ebenfalls zur Reduktion durch Photoelektronen erzeugter Elektronen. Thermodynamisch stabile Metalloxidhalbleiter, wie etwa BiVO4, sind einer kinetisch bedingten Photokorrosion ausgesetzt, die zur Auflösung lichtabsorbierender Spezies und zur Zerstörung der Gitterstruktur führt.

Oberflächenschutzschichten sind dagegen durch parasitäre Lichtabsorption und Nadelstichphänomene eingeschränkt, was ihre Wirksamkeit beim Korrosionsschutz mindert. Co-Katalysatoren unterliegen Einschränkungen durch Aktivitätsabfall und parasitäre Lichtabsorption, was sich letztlich auf die Stabilität der Photoelektrode auswirkt.

Zur Bewältigung dieser Herausforderungen gibt es folgende Selbstheilungsmechanismen: intrinsische Selbstheilung aktiver Spezies in Lichtabsorbern und Co-Katalysatoren nach Beschädigung, intrinsische Selbstheilung defekter Stellen in Halbleitern, die die Lichtabsorptionseigenschaften beeinträchtigen, extrinsische Selbstheilung beschädigter Stellen in konformen Schutzschichten und Selbstbegrenzung der Filmdicke mit Selbstheilung gegen parasitäre Lichtabsorption in Oberflächenmodifizierungsschichten.

Die Realisierung dieser Selbstheilungsmechanismen erfordert zusätzlich zu der Vorspannung oder Photospannung, die durch die Arbeitsbedingungen bei der PEC-Wasserspaltung bereitgestellt wird, normalerweise die Zugabe einer Ionenquelle der verlorenen aktiven Spezies oder eines zusätzlichen Heilmittels zum Elektrolyten. Die Stärke der unter den Arbeitsbedingungen bereitgestellten Vorspannung sowie die Anzahl und Konzentration der dem Elektrolyten hinzugefügten Spezies bestimmen die Selbstheilungsfähigkeit der PEC-Wasserspaltung.

Die Untersuchung von Additiven im Elektrolyten unter Arbeitsbedingungen wird einen Schwerpunkt zukünftiger Forschungen zur Selbstheilung verschiedener Photoelektroden bei der PEC-Wasserspaltung bilden.