Die photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung ist ein idealer Ansatz zur Umwandlung von Sonnenenergie in grünen Wasserstoff, und die kontrollierbare Herstellung und einfache Skalierbarkeit effizienter Photoanoden ist für die praktische Anwendung von entscheidender Bedeutung. Bismutvanadat (BiVO4) in der monoklinen Phase ist aufgrund der breiten Nutzung des sichtbaren Lichts und der guten photoelektrochemischen Stabilität eine vielversprechende Photoanode.
Im Vergleich zu gängigen zweistufigen Herstellungsmethoden bietet die einstufige Pyrolysemethode viele Vorteile wie Einfachheit, niedrige Kosten und Anwendbarkeit für die Herstellung gleichmäßiger großflächiger BiVO4-Photoanoden. Allerdings ist die Leistung intrinsischer BiVO4-Elektroden nach der Ein-Schritt-Methode nicht zufriedenstellend.
Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Zhang Fuxiang vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) Schlüsselfaktoren aufgedeckt, die die Wasseroxidationsleistung von BiVO4-Photoanoden einschränken, die durch einstufige Pyrolysemethode hergestellt wurden: die Verlust von Vanadiumelementen und Bildung von Verunreinigungen in der tetragonalen Phase.
Die Studie wurde veröffentlicht in Angewandte Chemie Internationale Ausgabe am 15. Juli.
Die Forscher fanden heraus, dass Vanadium (V) eine schnellere Auslaugungskinetik als Bismut (Bi) aufweist, was zum Einschluss einiger tetragonaler BiVO4 mit schlechter Ladungstransportfähigkeit führt, was die Hauptbeschränkung von BiVO4-Photoanoden darstellt, die durch einstufige Pyrolysemethode hergestellt werden.
Um dieses Problem anzugehen, optimierten sie die Vorläuferkonsistenz und erreichten eine Leistung von 4,2 mA/cm2 bei 1,23 V vs. RHE unter simulierter Sonnenlichtbeleuchtung, was mit der BiVO4-Elektrode durch die zweistufige Methode vergleichbar war. Darüber hinaus steht das optimierte einstufige Pyrolyseverfahren zur kontrollierten Herstellung zuverlässiger großflächiger BiVO4-Photoanoden mit einer Fläche von bis zu 25 cm2 zur Verfügung.
„Unsere Arbeit zeigt die Machbarkeit der skalierbaren Herstellung effizienter BiVO4-Photoanoden und ebnet den Weg für die PEC-Wasserspaltung zur praktischen industriellen Anwendung“, sagte Prof. Zhang.
Mehr Informationen:
Nengcong Yang et al., Einblick in die Schlüsselbeschränkung von BiVO4-Photoanoden, die durch die Pyrolysemethode für eine skalierbare Herstellung hergestellt werden, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe (2023). DOI: 10.1002/ange.202308729