Механизм переноса фотоанода для увеличения производства зеленого водорода

Освещение исследования механизма фотоэлектрохимического расщепления воды на кремниевом фотоаноде, пассивированном слоем TiOx с различной плотностью дефектов, проведенном в лаборатории доктора Ансуна Кима из Корейского научно-исследовательского института стандартов и науки (KRISS). Предоставлено: Корейский научно-исследовательский институт стандартов и науки (KRISS).

KRISS продемонстрировал механизм переноса фотоанода с защитной пленкой для увеличения производства зеленого водорода. Это достижение может помочь в производстве безуглеродного зеленого водорода и искусственном фотосинтезе.

В последнее время водород был признан чистым и эффективным источником энергии. Но действительно ли это экологично? В настоящее время наиболее распространенным типом водорода является «серый водород», который получают из ископаемого топлива. Учитывая выбросы парниковых газов, образующиеся при его производстве, серый водород не является по-настоящему экологически чистым. Эпоха «зеленого водорода», который не производит никаких выбросов углерода, все еще не за горами.

Фотоанод с защитной пленкой

Корейский научно-исследовательский институт стандартов и науки (KRISS) под руководством президента Хён Мина Пака продемонстрировал потенциальное решение для прочного и эффективного фотоанода с защитной пленкой, который играет важную роль в производстве водорода путем расщепления воды на солнечной энергии. Ожидается, что это положит начало эре экологически чистого «зеленого водорода».

Зеленый водород производится без выбросов углерода с использованием возобновляемых источников энергии. Типичным методом производства зеленого водорода является фотоэлектрохимическое расщепление воды с использованием фотоанода, который непосредственно погружен в электролиты и может поглощать солнечный свет.

В результате фотоанод непосредственно расщепляет контактирующую воду на водород и кислород, используя поглощенную солнечную энергию. Однако, поскольку фотоанод находится в непосредственном контакте с электролитом, он подвержен поверхностной коррозии. На поверхность нанесены защитные покрытия для предотвращения поверхностной коррозии.

Обычно в качестве защитных пленок для фотоанодов используются оксидные материалы, такие как диоксид титана (TiO2). Хотя оксидные материалы являются плохими проводниками электричества, их проводимость можно модулировать, когда образуются кислородные дефекты, служащие каналом для переноса заряда. Ключом к увеличению срока службы фотоанодов является создание защитной пленки, достаточно прочной для предотвращения коррозии электродов и способной поддерживать оптимальную электропроводность.

Для эффективного расщепления воды ФЭП важно сбалансировать два фактора, систематически контролируя плотность дефектов в пассивирующем слое TiOx фотоанода n-Si: (1) доступная плотность состояния для транспорта носителей в запрещенной зоне и (2) благоприятная Энергетика интерфейса. Предоставлено: Корейский научно-исследовательский институт стандартов и науки (KRISS).

Компания KRISS разработала первую в мире технологию систематического регулирования уровня кислородных дефектов в защитной пленке фотоанода из диоксида титана (TiO2) для максимального повышения эффективности производства водорода. Чтобы изучить роль кислородных дефектов в механизме переноса заряда, исследовательская группа определила оптимальные уровни дефектов, которые максимизируют срок службы фотоанода и производство водорода, с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и электрохимического анализа.

Контроль уровня кислородных дефектов

• В отличие от предыдущих исследований, которые основывались на спонтанно образующихся кислородных дефектах в защитной пленке в процессе производства, это исследование предлагает прямой метод производства, который контролирует уровни кислородных дефектов, что позволяет производить массовое производство.
• Согласно результатам эксперимента, фотоанод без защитной пленки показал быструю деградацию срока службы в течение часа, в результате чего эффективность производства водорода упала ниже 20 % по сравнению с исходным состоянием.
• С другой стороны, фотоанод с оптимизированной защитной пленкой сохранял эффективность производства водорода более 85 % даже после 100 часов работы.

Это достижение может повысить эффективность и срок службы фотоанодов и может быть применено к другим чистым технологиям, основанным на фотоанодах. Одним из примеров является технология искусственного фотосинтеза, которая улавливает углекислый газ и преобразует его в химический источник энергии с использованием солнечной энергии.

Доктор Ансун Ким, главный исследователь Междисциплинарного института измерения материалов KRISS, сказал: «Этот подход может увеличить срок службы фотоанода примерно в 10 раз и внести значительный вклад в коммерциализацию зеленого водорода».

KRISS планирует провести дальнейшие исследования, чтобы выявить оптимальные уровни кислородных дефектов и основные принципы, которые максимизируют срок службы фотоанодов.

Источник

Метки: водород