Forscher entwickeln langlebige organische Halbleiter-Fotokathoden mit Metallfolienkapselung

22. September 2022

von GIST (Gwangju Institute of Science and Technology)

Wasserstoff entwickelt sich aufgrund seiner CO2-neutralen Verbrennungsprodukte (Wasser, Strom und Wärme) zu einer beliebten umweltfreundlichen Alternative zu fossilen Brennstoffen und gilt als Kraftstoff der nächsten Generation für eine emissionsfreie Gesellschaft. Die Hauptquelle für Wasserstoff sind jedoch ironischerweise fossile Brennstoffe.

Eine Möglichkeit, Wasserstoff auf saubere und nachhaltige Weise herzustellen, ist die durch Sonnenlicht angetriebene Wasserspaltung. Der als „photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung“ bekannte Prozess ist die Grundlage für den Betrieb organischer Photovoltaikzellen. Was diese Methode attraktiv macht, ist, dass sie 1) eine Massenproduktion von Wasserstoff auf begrenztem Raum ohne Netzsystem und 2) eine hocheffiziente Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff ermöglicht.

Trotz dieser Vorteile verfügen die in herkömmlichen PECs verwendeten photoaktiven Materialien jedoch nicht über die Eigenschaften, die für einen kommerziellen Einsatz erforderlich sind. In diesem Zusammenhang haben sich organische Halbleiter (OS) aufgrund ihrer hohen Leistung und kostengünstigen Druckweise als potenzielles Fotoelektrodenmaterial für die kommerzielle PEC-Wasserstoffproduktion herausgestellt. Der Nachteil von OSs besteht jedoch darin, dass sie eine geringe chemische Stabilität und eine geringe Photostromdichte aufweisen.

Nun könnte ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Sanghan Lee vom Gwangju Institute of Science and Technology, Korea, dieses Problem endlich gelöst haben. Bei ihrem jüngsten Durchbruch, der auf der Titelseite des Journal of Materials Chemistry A erschien, wählte das Team einen Ansatz, der auf der Einkapselung der OS-Fotokathode in mit Platin dekorierter Titanfolie basiert, einer Technik, die als „Metallfolienkapselung“ bekannt ist, um dies zu verhindern Kontakt mit der Elektrolytlösung.

„Die Metallfolienkapselung ist ein leistungsstarker Ansatz zur Realisierung langfristig stabiler OS-basierter Fotokathoden, da sie dazu beiträgt, das Eindringen von Elektrolyten in das OS zu verhindern und deren Langzeitstabilität zu verbessern, wie in unseren früheren Studien und anderen Berichten zu OS gezeigt wurde.“ -basierte Fotoelektroden“, erklärt Prof. Lee.

Das Team stellte eine organische Photovoltaikzelle her, bei der die OS-Photokathode mit Titanfolie und gut verteilten Platin-Nanopartikeln bedeckt war. Beim Testen zeigte die OS-Fotokathode ein Anfangspotential von 1 V gegenüber der reversiblen Wasserstoffelektrode (RHE) und eine Photostromdichte von -12,3 mA cm-2 bei 0 VRHE. Am bemerkenswertesten ist, dass die Zelle eine Rekordbetriebsstabilität zeigte und über 30 Stunden lang 95,4 % des maximalen Photostroms beibehielt, ohne dass es zu einer merklichen Verschlechterung des Betriebssystems kam. Darüber hinaus testete das Team das Modul unter tatsächlichem Sonnenlicht und konnte Wasserstoff produzieren.

Das in dieser Studie entwickelte hochstabile und effiziente PEC-Modul kann die Produktion von Wasserstoff in großem Maßstab ermöglichen und innovative Wege für den Bau zukünftiger Wasserstofftankstellen inspirieren. „Angesichts der wachsenden Bedrohung durch die globale Erwärmung ist es zwingend erforderlich, umweltfreundliche Energiequellen zu entwickeln. Das in unserer Studie untersuchte PEC-Modul könnte in Wasserstofftankstellen installiert werden, wo Wasserstoff gleichzeitig in Massenproduktion hergestellt und verkauft werden kann.“ " sagt Prof. Lee.

Mehr Informationen: Sehun Seo et al, Ein langfristig stabiles photoelektrochemisches Modulsystem auf Basis organischer Halbleiterphotokathoden für die Wasserstoffproduktion, Journal of Materials Chemistry A (2022). DOI: 10.1039/D2TA02322A