L'hydrogène est un carburant polyvalent qui peut stocker et libérer de l'énergie chimique en cas de besoin. L'hydrogène peut être produit de manière climatiquement neutre par la division électrolytique de l'eau en hydrogène et oxygène à l'aide de l'énergie solaire. Ceci peut être réalisé par photo-électrochimie (PEC), et pour cette approche, il est nécessaire d'avoir des photoélectrodes à faible coût qui fournissent une certaine tension photovoltaïque sous éclairement, et restent stables dans les électrolytes aqueux.

Cependant, c'est ici que réside le principal obstacle; les semi-conducteurs conventionnels se corrodent très rapidement dans l'eau. Les films minces d'oxyde métallique sont beaucoup plus stables, mais se corrode toujours avec le temps. L'un des matériaux de photoanode les plus réussis est le vanadate de bismuth (BiVO 4 ), un oxyde métallique complexe dans lequel les photocourants sont déjà proches de la limite théorique. Mais le plus grand défi pour le fractionnement de l'eau PEC commercialement viable est maintenant d'évaluer et d'améliorer la stabilité des matériaux de photoélectrode pendant leur fonctionnement PEC.

À cette fin, une équipe de l'Institut HZB pour les combustibles solaires dirigée par le professeur Roel van de Krol (HZB) avec des groupes de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le fer, l'Institut Helmholtz Erlangen-Nuremberg pour les énergies renouvelables, l'Université de Fribourg et l'Imperial College de Londres, ont utilisé un certain nombre de méthodes de caractérisation de pointe pour comprendre les processus de corrosion de BiVO de haute qualité 4 photo-électrodes.

"Jusque là, nous n'avons pu examiner les photoélectrodes qu'avant et après corrosion photoélectrochimique, " dit le Dr Ibbi Ahmet, qui a lancé l'étude avec Siyuan Zhang de l'Institut Max Planck. "C'était un peu comme lire seulement le premier et le dernier chapitre d'un livre, et ne sachant pas comment tous les personnages sont morts." Dans une première étape pour résoudre ce problème, le chimiste a fourni une série de BiVO de haute pureté 4 des films minces qui ont été étudiés dans une cellule à écoulement nouvellement conçue avec différents électrolytes sous un éclairage standard.

Le résultat est la première étude de stabilité operando de BiVO de haute pureté 4 photoanodes au cours de la réaction photoélectrochimique de dégagement d'oxygène (OER). En utilisant la spectrométrie de masse à plasma in-situ (ICPMS), ils ont pu déterminer quels éléments ont été dissous à la surface des photoanodes BiVO4 lors de la réaction photoélectrochimique, en temps réel.

« À partir de ces mesures, nous avons pu déterminer un paramètre utile, le nombre de stabilité (S), " dit Ibbi. Ce nombre de stabilité est calculé à partir du rapport entre le O 2 molécules produites et le nombre d'atomes métalliques dissous dans l'électrolyte et c'est en fait une mesure parfaitement comparable des stabilités des photoélectrodes. La stabilité d'une photoélectrode est élevée si la séparation de l'eau se déroule rapidement (dans ce cas l'évolution de O 2 ) et peu d'atomes métalliques pénètrent dans l'électrolyte. Ce paramètre peut également être utilisé pour déterminer le changement de stabilité des photoélectrodes au cours de leur durée de vie ou évaluer les différences de stabilité de BiVO 4 dans divers borates tamponnés au pH, électrolytes de phosphate et de citrate (purgeur de trous).

Ce travail montre comment la stabilité des photoélectrodes et des catalyseurs peut être comparée dans le futur. Les auteurs ont poursuivi la collaboration et utilisent maintenant ces précieuses techniques et connaissances pour concevoir des solutions viables afin d'améliorer la stabilité de BiVO. 4 photoanodes et permettent leur utilisation dans des applications pratiques à long terme.