Development of a photo redox flow battery based on nanostructured semiconducting metal oxides as photoanodes

Titelangaben

Ade, Mirco:
Development of a photo redox flow battery based on nanostructured semiconducting metal oxides as photoanodes.
Bayreuth , 2026 . - XIV, 161 S.
( Dissertation, 2026 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

In this thesis, semiconducting electrodes are investigated for the application of the photo redox flow battery. Thus, a Photo Redox Flow Battery was designed and constructed to enable continuous flow charging during light illumination. As electrode materials were WO₃ and Mo:BiVO₄ chosen and optimized in the water oxidation reaction in advance. The goal was to build a WO₃/Mo:BiVO₄ heterostructure with high performance for effective charging. The investigation starts with the WO₃ base for electron extraction. A detailed coating study showed that optimizing the interface by adjusting the seed layer density can influence the performance of the electrode. The highest photocurrent of 1.51 mA cm⁻² was achieved by a hydrothermally grown electrode using a seed layer synthesized with 5000 rpm and 30 s spinning duration. It resulted in a 2.3 µm thick film with a flat band potential of 0.39 V, an IPCE of 60 % and a separation efficiency of 34 % without using a cocatalyst. Subsequently, the formation of the WO₃/Mo:BiVO₄ heterostructure was analyzed in detail. The dip-coating parameters, the role of the individual materials and their contribution to the heterostructure, as well as different morphologies of WO₃, were evaluated. The performance was found to be better when Mo:BiVO₄ serves as the absorber and WO₃ functions as the electron extractor for charge carrier separation. Additionally, it was shown that different layer structures can be achieved by adjusting the dip coating parameters regardless of the WO₃ morphology. In addition, the conversion of WO₃ to α-SnWO₄ was studied in this work using a hydrothermal and a coating approach. Finally, the synthesized electrodes were used in the photo redox flow battery. The stability of the electrodes and the optimal operating voltage for photo-assisted charging of the battery were investigated.

Abstract in weiterer Sprache

Die vorliegende Arbeit behandelt die Optimierung halbleitender Elektroden für den Einsatz in einer dafür entwickelten und konstruierten Photo Redox Fluss Batterie. Hierfür wurden die Materialien WO₃ und Mo:BiVO₄ gewählt und im Voraus in der photoelektrochemischen Wasseroxidation getestet, um deren Eigenschaften zu optimieren. Das Ziel war eine Heterostruktur aus WO₃ und Mo:BiVO₄ aufzubauen, welche die Batterie unter kontinuierlichem Fluss und Lichteinstrahlung lädt. Dabei begann die Untersuchung mit WO₃, welches die Basis für die Heterostruktur bildet und die Elektronenextraktion fördert. Es konnte mit einer ausführlichen Beschichtungsstudie gezeigt werden, dass die Leistung der Elektrode durch die Impfkristallschicht beeinflusst wird. So erreichte die in einer hydrothermalen Wachstumsreaktion synthetisierte Elektrode aus einer rotationsbeschichteten Impfkristallschicht mit 5000 rpm und 30 s Dauer, einen hohen Photostrom von 1.51 mA cm⁻², mit einem Flachbandpotential von 0.39 V, einer Filmdicke von 2.3 µm, eine IPCE von 60 % und einer Ladungsträgertrennungseffizienz von 34 % ohne Cokatalysator. Anschließend wurde die Bildung der WO₃/BiVO₄ im Detail analysiert. Hierfür wurden die Tauchbeschichtungsparameter, die Rolle der einzelnen Materialien und deren Beitrag zur Heterostruktur als auch unterschiedliche Morphologin für WO₃ untersucht. Eine bessere Leistung konnte erzielt wird, wenn Mo:BiVO₄ den Absorber und WO₃ der Elektronenextraktor zur Ladungsträgertrennung darstellen. Darüber hinaus konnten, durch das Anpassen der Tauchbeschichtungsparameter unabhängig von der WO₃ Morphologie, unterschiedliche Schichtstrukturen realisiert werden. Darüber hinaus beschäftigte sich diese Arbeit mit der Umwandlung von WO₃ zu α-SnWO₄. Dabei wurden sowohl hydrothermale als auch Beschichtungs- und Kalzinierungsverfahren verwendet. Abschließend wurden die synthetisierten Elektroden in der Photo Redox Fluss Batterie eingesetzt. Hierfür wurden die Stabilität der Elektroden und die optimale Arbeitsspannung für das lichtunterstützende Laden der Batterie untersucht.