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Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Hereon hat gezeigt, wie eine klassische Technik neu genutzt werden kann, um den Materialabbau von Photoelektroden in Echtzeit zu messen. Die neue Methode ermöglicht eine kontinuierliche und präzise Erfassung subtiler Materialverluste. Das Verfahren kann die Abbauraten von Material unter realistischen Betriebsbedingungen direkt bestimmen. Die Forschenden haben ihre Innovation kürzlich in einem Recent HOT Article der Fachzeitschrift EES Solar vorgestellt.
Photoelektrochemische Bauelemente können Sonnenlicht in wertvolle Chemikalien wie Wasserstoff, Ethylen oder Ammoniak umwandeln. Ihre praktische Nutzung wird aber bislang dadurch eingeschränkt, dass sich die verwendeten Materialien während des Betriebs abbauen, also korrodieren. Die Dynamik dieses Prozesses ist bisher nur unzureichend bekannt: Wie schnell schreitet er voran, und welche Bedingungen beeinflussen ihn?
Die Methode der operando-spektroskopischen Ellipsometrie schafft nun für diese Fragestellungen Abhilfe: Sie ermöglicht erstmals, die Korrosion von Photoelektroden in Echtzeit und mit hoher Präzision zu verfolgen. Die Technik misst winzige Veränderungen der Schichtdicke – in der Größenordnung von nur wenigen Nanometern – über die gesamte Elektrodenoberfläche, während das Bauelement unter variierenden elektrochemischen Bedingungen und wechselnder Beleuchtung arbeitet.
Einblicke in dynamische Abbauprozesse
Um zu zeigen, wie die Methode Materialdegradation in lichtgetriebenen elektrochemischen Bauteilen aufdeckt, konzentrierte sich das Team auf ultradünne Schichten aus Titandioxid. Dieses Material ist in Energietechnologien weit verbreitet, etwa in Photoelektroden zur Wasserstofferzeugung, in Solarzellen und in photokatalytischen Systemen. Die Forschenden stellten diese Schichten mit unterschiedlichen inneren Strukturen her und beobachteten, wie sie sich während des Betriebs unter realistischen Bedingungen veränderten.
So konnten sie herausfinden, dass die innere Struktur des Materials eine entscheidende Rolle spielt. Ungeordnete, amorphe Schichten zerfielen unter Sonnenlicht etwa 14-fach schneller als gut geordnete, kristalline Schichten, da sie elektrische Ladungen weniger effizient transportieren. Durch die direkte Erfassung dieser Effekte unter realistischen Einsatzbedingungen liefert die Messtechnik wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung widerstandsfähigerer Systeme.
Zufriedene Forschende
„Die Möglichkeit, Materialveränderungen während des Betriebs live zu beobachten, eröffnet völlig neue Wege, um Degradationsmechanismen zu identifizieren, bevor sie zum Problem werden“, sagt Prof. Francesca Toma, Leiterin des Hereon-Instituts für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit in Teltow, die eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung der Forschungsidee spielte. „So können wir nicht nur bestehende Materialien verbessern, sondern auch schneller neue Konzepte entwickeln, die den zukünftigen Anforderungen an nachhaltige Energiesysteme gerecht werden.“ Die neue Messmethode lässt sich zudem auf viele weitere photoelektrochemische und elektrokatalytische Materialien übertragen. Damit leistet sie einen wichtigen Beitrag für die Weiterentwicklung nachhaltiger Energietechnologien und unterstützt die Energiewende.
Dr. Mauricio Schieda, einer der führenden Autoren der Studie, ergänzt: „Eine höhere Stabilität bedeutet weniger Materialverbrauch, geringeren Wartungsaufwand und sinkende Gesamtkosten. All das sind entscheidende Voraussetzungen für den breiten Einsatz lichtgetriebener Energiewandlungstechnologien."
Spitzenforschung für eine Welt im Wandel
Das Ziel der Wissenschaft am Helmholtz-Zentrum Hereon ist der Erhalt einer lebenswerten Welt. Dafür erzeugen rund 1000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Wissen und erforschen neue Technologien für mehr Resilienz und Nachhaltigkeit – zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. Der Weg von der Idee zur Innovation führt über ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen Experimentalstudien, Modellierungen und künstlicher Intelligenz bis hin zu Digitalen Zwillingen, die die vielfältigen Parameter von Klima und Küste oder der Biologie des Menschen im Rechner abbilden. Damit wird interdisziplinär der Bogen vom grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis komplexer Systeme hin zu Szenarien und praxisnahen Anwendungen geschlagen. Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken und im Verbund der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt das Hereon mit dem Transfer der gewonnenen Expertise Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.
Prof. Francesca Toma
Institutsleiterin
Institut für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit
Tel.: +49 (0)3328 352490
Mail: francesca.toma@hereon.de
https://doi.org/10.1039/D5EL00179J
Unter dem Einfluss von Sonnenlicht wird Material abgebaut.
Source: Mick Haupt via unsplash
Copyright: Mick Haupt
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars, Students
Chemistry, Energy, Environment / ecology, Information technology, Materials sciences
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
Unter dem Einfluss von Sonnenlicht wird Material abgebaut.
Source: Mick Haupt via unsplash
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