L'idrogeno è un combustibile versatile che può immagazzinare e rilasciare energia chimica quando necessario. L'idrogeno può essere prodotto in modo neutrale dal punto di vista climatico mediante la scissione elettrolitica dell'acqua in idrogeno e ossigeno utilizzando l'energia solare. Ciò può essere ottenuto fotoelettrochimicamente (PEC), e per questo approccio è necessario disporre di fotoelettrodi a basso costo che forniscano una certa fototensione sotto illuminazione, e rimangono stabili negli elettroliti acquosi.

Però, qui sta l'ostacolo principale; i semiconduttori convenzionali si corrodono molto rapidamente in acqua. I film sottili di ossido di metallo sono molto più stabili, ma si corrodono ancora nel tempo. Uno dei materiali fotoanodi di maggior successo è il vanadato di bismuto (BiVO ₄ ), un ossido metallico complesso in cui le fotocorrenti sono già vicine al limite teorico. Ma la sfida più grande per la scissione dell'acqua PEC commercialmente fattibile è ora quella di valutare e migliorare la stabilità dei materiali dei fotoelettrodi durante il loro funzionamento PEC.

A tal fine, un team dell'HZB Institute for Solar Fuels guidato dal Prof. Roel van de Krol (HZB) insieme a gruppi del Max Planck Institute for Iron Research, l'Istituto Helmholtz Erlangen-Norimberga per le energie rinnovabili, l'Università di Friburgo e l'Imperial College di Londra, hanno utilizzato una serie di metodi di caratterizzazione all'avanguardia per comprendere i processi di corrosione di BiVO . di alta qualità ₄ fotoelettrodi.

"Finora, abbiamo potuto esaminare solo i fotoelettrodi prima e dopo la corrosione fotoelettrochimica, "dice il dottor Ibbi Ahmet, che ha avviato lo studio insieme a Siyuan Zhang del Max Planck Institute. "Era un po' come leggere solo il primo e l'ultimo capitolo di un libro, e non sapendo come sono morti tutti i personaggi." In un primo passo per risolvere questo problema, il chimico ha fornito una serie di BiVO . ad alta purezza ₄ film sottili che sono stati studiati in una cella a flusso di nuova concezione con diversi elettroliti sotto illuminazione standard.

Il risultato è il primo studio di stabilità operando di BiVO . ad alta purezza ₄ fotoanodi durante la reazione di evoluzione fotoelettrochimica dell'ossigeno (OER). Utilizzando la spettrometria di massa al plasma in situ (ICPMS), sono stati in grado di determinare quali elementi sono stati disciolti dalla superficie dei fotoanodi BiVO4 durante la reazione fotoelettrochimica, in tempo reale.

"Da queste misurazioni siamo stati in grado di determinare un parametro utile, il numero di stabilità (S), " dice Ibbi. Questo numero di stabilità è calcolato dal rapporto tra l'O ₂ molecole prodotte e il numero di atomi di metallo disciolti nell'elettrolita ed è infatti una misura perfettamente comparabile delle stabilità del fotoelettrodo. La stabilità di un fotoelettrodo è elevata se la scissione dell'acqua procede rapidamente (in questo caso l'evoluzione di O ₂ ) e pochi atomi di metallo entrano nell'elettrolita. Questo parametro può essere utilizzato anche per determinare il cambiamento nella stabilità dei fotoelettrodi durante la loro vita o valutare le differenze nella stabilità di BiVO ₄ in vari borati a pH tamponato, elettroliti fosfato e citrato (hole scavenger).

Questo lavoro mostra come la stabilità di fotoelettrodi e catalizzatori possa essere confrontata in futuro. Gli autori hanno continuato la collaborazione e ora stanno utilizzando queste preziose tecniche e intuizioni per progettare soluzioni praticabili per migliorare la stabilità di BiVO ₄ fotoanodi e ne consentono l'uso in applicazioni pratiche a lungo termine.