Photoelectrochemical Splitting of Water with N-doped Graphene-Hematite Composites for Hydrogen Production

Utarmingen av fossilt brensel og klimaendringer øker behovet for nye energiteknologier. Hydrogen blir betraktet å være fremtidens energibærer. En ren og fornybar produksjon av hydrogen er veien å gå. Prosessen med å splitte vann i hydrogen og oksygen, kalt fotoelektrolyse, krevet materialer som er laget av halvledere eller metalloksider. Forskere kaller disse materialene fotokatalysatorer siden de absorberer solenergi og aktiveres for å bryte vannmolekyler til hydrogen- og oksygengass. I dette prosjektet, som kalles PhotoNGrapHy, kommer forskere fra Norge og India til å jobbe med syntese av fotokatalysatorer basert på avanserte materialer som grafen og hematitt. Forskningen vil blant annet fokusere på forskjellige måter å forbedre effektiviteten og stabiliteten til primærkatalysatoren hematitt. Prosjektet vil også undersøke produksjon av disse materialene og elektrodene ved hjelp av elektrodeponering for stor-skala kommersielt bruk på en økonomisk og ren måte. I prosjektet PhotoNGrapHy (Photoelectrochemical Splitting of Water with N-doped Graphene-Hematite Composites for Hydrogen Production) jobber forskere fra Norge og India med å fremstille en fotokatalysator basert på grafen og hermatitt (en form for jernoksid). Grafen ga gode resultater for små testelektroder, men det har vist seg å være utfordrende å oppnå tilsvarende resultater for fullskala elektroder. Mer innsats er nødvending for å øke kvaliteten på den brukte grafenen, metoder for å deponere den på elektroden og for få til økt stabilitet under varmebehandling. Andre materialer som titan, nikkel, platina og aluminium var coatet på jernfilmer i et forsøk på å øke virkningsgraden. Bare titan viste seg å være effektivt. Varmebehandlingstemperaturer er avgjørende for egenskapene til filmene. Elektrodeponering viste seg å være en enkel, reproduserbar and skalerbar metode. Hermatitt elektrodeponert med en film av FeTiO5 og deretter koboltoksid (CoOx) viste seg å ha en forbedret strømtettet på 2.0 mA/cm2 ved 1.23 V. Dette er lovende resultater.

1. Establised a good collaboration beween institution from Norway, India, South Korea 2. Developed a high performance and stable photo anode with cheaper materials like iron through an cost-effective and scalable route 3. Effect of graphene were studied only with limited success due to the challenges in producing high quality graphene and the process to incorporate in to the electrode 4. Acheived researchers mobility by sending a Researcher from Norway to S. Korea in 2017 for 2 months. Also Norway hosted a PhD researcher from India for 6 months in 2018 5. Collaborative projects with the same Indian group and also with other Indian research groups were initiated through INTPART and INDNOR calls, however with no success with the grant 6. SImilarly, collaborative application was submitted to the Indian funding agencies in 2018, again with no success 7. New proposal is about to be submitted again this year through INDNOR call to continue working on the research topic

The depleting fossil fuels and altering climatic conditions increases the necessity for alternative energy technologies.Hydrogen is considered to be the energy carrier of our future due to its sustainability and environment compatibility. Currently, production of hydrogen in an economical and eco-friendly way is a major hurdle in realizing hydrogen-based economy. Photo electrochemical (PEC) water splitting is considered as one of the ultimate solutions to make the hydrogen cycle sustainable as it requires only sunlight and water to generate hydrogen. The thermodynamic voltage for water splitting under standard conditions is 1.23 V and the photoactive materials must generate a photovoltage sufficiently high enough to drive water splitting reactions. Hematite is one of the most favourite materials for PEC water oxidation but they suffer from poor electronic conductivity, low absorption coefficient, short hole diffusion length and high electron-hole recombination rate. This project aims at a) developing highly active and durable hematite based photo catalysts by use of N-doped graphene and secondary metal oxides with a matching band gap, b) determining the effects of synthesis routes on the PEC properties of catalysts and c) developing a cost effective and environmental friendly photo electrode fabrication route for commercialization. The first part is achieved by synthesizing catalysts with controlled nanostructures, evaluating suitable dopants and heterojunctions. To improve the electron transport in the electrode system, catalysts will be deposited over a N-doped graphene layer. To investigate the second part of the objective we propose to employ two synthesis routes viz. electrodeposition (aiming at commercial viability) and e-beam evaporation (considered here as model system to understand the fundamentals). The knowledge gained through these steps will be implemented in the last section where optimization of electrodeposition route towards industrial applications.