Исследование роли кислородных дефектов в защитной пленке диоксида титана для максимизации эффективности производства водорода

29 мая 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

корректура

Национальным исследовательским советом по науке и технологиям

Водород привлекает внимание как чистый и эффективный источник энергии. Однако действительно ли водород экологически безопасен? Чаще всего используемый сейчас водород представляет собой серый водород, полученный из ископаемого топлива. Поскольку процесс его производства сопровождается образованием парникового газа, можно сказать, что серый водород не является экологически чистым в строгом смысле этого слова. Эра зеленого водорода без выбросов углекислого газа еще не началась.

Корейский научно-исследовательский институт стандартов и науки (KRISS) продемонстрировал ключ к долговечности и эффективности фотоанода с защитной пленкой, который используется для производства водорода путем расщепления воды с использованием солнечной энергии. Ожидается, что это приблизит эпоху экологически чистого зеленого водорода.

Зеленый водород производится без выбросов углекислого газа за счет использования возобновляемых источников энергии. Типичным методом получения зеленого водорода является фотоэлектрохимическое расщепление воды с использованием фотоанода, который непосредственно погружен в электролит и может поглощать солнечный свет. В результате фотоанод напрямую расщепляет контактирующую воду на водород и кислород, используя поглощенную солнечную энергию. Однако, поскольку фотоанод находится в прямом контакте с электролитом, он подвержен поверхностной коррозии. На поверхность были нанесены защитные покрытия для предотвращения поверхностной коррозии.

Обычно в качестве защитных пленок для фотоанодов используются оксидные материалы, такие как диоксид титана (TiO2). Хотя оксидные материалы являются плохими проводниками электричества, их проводимость может модулироваться за счет образования дефектов кислорода, служащих каналом для переноса заряда. Ключом к продлению срока службы фотоанодов является создание защитной пленки, достаточно прочной, чтобы предотвратить коррозию электродов и способной поддерживать оптимальную электропроводность.

Компания KRISS разработала первую в мире технологию систематического регулирования уровня кислородных дефектов в защитной пленке фотоанода из диоксида титана (TiO2) для максимизации эффективности производства водорода. Чтобы изучить роль кислородных дефектов в механизме переноса заряда, исследовательская группа определила оптимальные уровни дефектов, которые максимизируют срок службы фотоанодов и производство водорода, используя рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию и электрохимический анализ.

В отличие от предыдущих исследований, которые основывались на спонтанно образующихся кислородных дефектах в защитной пленке во время производственного процесса, это исследование предлагает прямой метод производства, который контролирует уровень кислородных дефектов, что позволяет осуществлять массовое производство.

Согласно результатам эксперимента, фотоанод без защитной пленки показал быструю деградацию срока службы в течение часа, в результате чего эффективность производства водорода упала ниже 20% по сравнению с исходным состоянием. С другой стороны, фотоанод с оптимизированной защитной пленкой сохранял эффективность производства водорода более 85% даже через 100 часов.