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 er en komplisert fireelektronreaksjon, og dessuten nedbrytes oksydasjonsbetingelsene under anodeelektrodematerialene. I SolOPP studerer og utvikler vi en Ta3N5-fotoanode. Dette materialet er et av de mest effektive materialene for PEC-celler, men materialet brytes også ned ved kontakt med vann. For å øke holdbarheten har vi overflatemodifisert Ta3N5 materialet. For å se om dette har fungert så har vi gjort synkrotron eksperimenter på Lund i Sverige og in-situ målinger ved DTU i Danmark. Der har vi studert materialegenskapene til Ta3N5-fotoanoden når vi er i kontakt med vann og lyseksponering. Disse eksperimentene likner forholdene materialene vil bli utsatt for når de brukes i en applikasjon. Vi har funnet at hvis vi legger på ett tynt lag med nikkel oksid på Ta3N5-fotoanoden, vil materialet være mye mer stabilt. Vi har derfor fått innsikt og hentet 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.

Budsjettformål:

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale