Tilbake til søkeresultatene

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

A highly efficient and stable electrode for solar-driven water electrolysis, interrogated by advanced operando and in situ techniques

Alternativ tittel: En høy-effektiv og stabil elektrode for soldrevet vannelektrolyse, studert med avanserte operando- og in-situ-teknikker

Tildelt: kr 12,0 mill.

Soldrevet vannsplitting er en elegant måte å lagre naturens vekslende sollys i form av kjemiske bindinger, i dette tilfellet som fornybar hydrogengass. En nøkkelkomponent i en lysdrevet vannelektrolysecelle er anodeelektroden, som må aktiveres av sollys og samtidig frigjøre oksygengass ved oksidasjon av vann. Den andre elektroden, katoden, er ansvarlig for å frigjøre hydrogengassen ved reduksjon av vann. De primære tapene i slike fotoelektrokjemiske (PEC) celler kommer fra anodeelektroden, ettersom oksygenutviklingsreaksjonen (OER) er en komplisert fireelektronreaksjon, og dessuten nedbrytes oksydasjonsbetingelsene under anodeelektrodematerialene. I SolOPP vil vi studere og utvikle en Ta3N5-fotoanode. Dette materialet er et av de mest effektive materialene for PEC-celler, men materialet brytes også ned ved kontakt med vann. Vi vil overflatemodifisere Ta3N5 med hovedmål å øke holdbarheten, men også få grunnleggende forståelse av korrosjonsprosessene under drift. For å gjøre det vil vi sette opp eksperimenter ved internasjonale laboratorier som DTU, Lund og Cambridge hvor vi kan studere materialegenskapene når vi er i kontakt med vann under lyseksponering og OER. Disse eksperimentene vil likne forholdene materialene vil bli utsatt for når de brukes. Vi kan derfor få innsikt og hente ut viktig kunnskap som kan brukes til å videreutvikle et mer stabilt fotoanodemateriale.

The intermittent nature of sunlight necessitates the storage of the solar energy into chemical bonds. Renewable hydrogen fuel from solar-driven water splitting is a goal of great significance, as it will provide a predictable, carbon-neutral, and high-energy density fuel. Photoelectrochemical (PEC) water splitting is an elegant way for solar water electrolysis and hydrogen production, as the light absorbers are also the water electrolyzing electrodes, i.e. photoelectrodes. A good photoelectrode material must possess high water splitting efficiency and exceptional stability against photocorrosion. The goal behind SolOPP is to produce a Ta3N5-based photoelectrode with improved stability above the limit of at least 8 mA/cm2 set by the EU and US Energy Departments for commercial exploitation. This will be an unprecedented achievement within the field, and a significant step towards bringing photoelectrochemical (PEC) water electrolysis to a commercial level. Photocurrent densities almost as high as the theoretical limit of Ta3N5 has recently been achieved within the project consortium, but stability remains a major challenge. In SolOPP, we will develop innovative approaches to improve the stability, based on application of co-catalysts and protective coatings with closely tailored properties. The development will be aided by operando studies of the semiconductor/electrolyte interface using (near)-ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS), combined with in situ transmission microscopy (TEM) and theoretical calculations. The ambition of the project is to establish a complimentary framework for knowledge-based electrode development, all the way from state-of-the-art fundamental science to working PEC cell, combining expertise in photochemistry, semiconductors physics, advance characterization techniques, nanotechnology and theoretical modeling, in order to address important technological challenges that can form a sustainable future energy landscape.

Aktivitet:

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale