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Photoelectrochemical Synthesis of Hydrogen and Value-Added Chemicals for a Sustainable Chemical Industry

Applicant Tilley David
Number 184737
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Chemie Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Inorganic Chemistry
Start/End 01.09.2019 - 31.08.2023
Approved amount 900'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Inorganic Chemistry
Material Sciences

Keywords (5)

value added chemicals; hydrogen; antimony selenide; water splitting; impedance spectroscopy

Lay Summary (German)

Lead
Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung neuartiger Halbleiter und Katalysatoren für Anwendungen in den Bereichen der erneuerbaren Energien und der nachhaltigen chemischen Synthese.
Lay summary

Für eine konstante Energieversorgung durch Solarenergie ist es notwendig, Sonnenenergie zu speichern. Ein nachhaltiger Ansatz ist die Speicherung der Energie in Form von chemischen Bindungen. Der einfachste Energieträger ist Wasserstoff, welcher durch Spaltung von Wasser mithilfe von Sonnenlicht und geeigneten Halbleitern erzeugt werden kann. Um diesen Prozess kompetitiv auf globaler Ebene einzuführen, bedarf es jedoch niedrigerer Produktionskosten als für Wasserstoff aus fossilen Quellen.

Zwei der wichtigsten Kriterien für die Kostenreduktion sind dabei die Effizienz und die Stabilität der Halbleiter. Wir konnten bereits zeigen, dass Antimonselenid (Sb2Se3) eben diese Vorrausetzungen in sich vereint. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts werden wir verschiedene Strategien anwenden, Sb2Se3 weiterzuentwickeln und seine Effizienz zu verbessern.

Sauerstoff stellt ein energieintensives Nebenprodukt der solaren Wasserspaltung da. Die Energie dieses Prozesses könnte stattdessen genutzt werden, um Synthesen in der chemisch-pharmazeutischen Industrie, welche auf fossilen Brennstoffen basieren, durch neuartige elektrosynthetische Verfahren zu ersetzen. Dies ist als Elektrifizierung der chemischen Synthese bekannt. Unser Ziel ist es, neue Katalysatoren für diese elektrochemischen Syntheseverfahren zu entwickeln und somit nachhaltig zu gestalten.

Zusätzlich zur Speicherung der Sonnenenergie in den chemischen Bindungen des Wasserstoffs als Treibstoff der Zukunft, würde durch die Elektrifizierung der chemischen Synthese die Energieumwandlung aus Sonnenlicht noch gesteigert werden.

Direct link to Lay Summary Last update: 23.07.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
160586 Solar Water Splitting: Photovoltage, Surface Dipole, and Catalysis Strategies 01.09.2015 Assistant Professor (AP) Energy Grants

Abstract

In this project, we wish to further develop semiconductor-based materials for renewable energy and sustainable chemistry applications. Particle-based photoelectrochemical (PEC) water splitting has the potential to produce solar hydrogen at a lower cost than fossil fuel-derived hydrogen, and is therefore a disruptive technology that could free us from a fossil fuel-based economy. Additionally, the use of the oxidizing equivalents to fabricate useful chemicals from biomass (instead of water oxidation to generate oxygen) represents a paradigm shift for a sustainable chemical industry. However, new materials are needed to achieve the stability and efficiencies that are required for low cost hydrogen production. Studying semiconductor materials as thin films enables the use of a suite of techniques for in-depth characterization and understanding, leading to the identification of limitations and subsequent improvement of the system. Thus, this proposal targets new thin film semiconductor materials, which could be adapted to particulate systems in future projects. The first line of research focuses on Sb2Se3, a new material that we found is intrinsically stable in acidic solutions under full solar illumination. It is a strong candidate for a practical, scalable photocathode material if the efficiency can be improved, which is the aim of this section. We will further develop another chalcogenide material that can be fabricated both as a photocathode (for hydrogen evolution) and a photoanode (for oxidation of biomass to value added chemicals) by simple modification of the synthesis conditions. The second line of research involves the use of advanced analytical techniques to gain a complete understanding of the underlying (photo)physical processes in PEC materials, which is quite complex. We wish to further develop our novel implementation of the dual working electrode technique, as well as transient photocurrent and photovoltage studies using our newly built setup. Moreover, we will use atomic force microscopy (for example, carrying out electrochemistry with the tip) for a microscopic analysis of these systems. Our grand aim is to find a general (photo)physical model that can be applied across a wide range of PEC systems, for fast identification of the limitations and rapid improvement in these systems.
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