Photoelectrochemical water splitting is a promising route for the renewable production of hydrogen fuel. This work presents the results of a technical and economic feasibility analysis conducted for four hypothetical, centralized, large-scale hydrogen production plants based on this technology. The four reactor types considered were a single bed particle suspension system, a dual bed particle suspension system, a fixed panel array, and a tracking concentrator array. The current performance of semiconductor absorbers and electrocatalysts were considered to compute reasonable solar-to-hydrogen conversion efficiencies for each of the four systems. The U.S. Department of Energy H2A model was employed to calculate the levelized cost of hydrogen output at the plant gate at 300 psi for a 10 tonne per day production scale. All capital expenditures and operating costs for the reactors and auxiliaries (compressors, control systems, etc.) were considered. The final cost varied from $1.60–$10.40 per kg H2 with the particle bed systems having lower costs than the panel-based systems. However, safety concerns due to the cogeneration of O2 and H2 in a single bed system and long molecular transport lengths in the dual bed system lead to greater uncertainty in their operation. A sensitivity analysis revealed that improvement in the solar-to-hydrogen efficiency of the panel-based systems could substantially drive down their costs. A key finding is that the production costs are consistent with the Department of Energy's targeted threshold cost of $2.00–$4.00 per kg H2 for dispensed hydrogen, demonstrating that photoelectrochemical water splitting could be a viable route for hydrogen production in the future if material performance targets can be met.

A cobalt-phosphate based oxygen evolution catalyst (Co-Pi OEC) was electrochemically deposited onto the surface of a porous bismuth vanadate electrode doped with 2 atom% Mo (BiV0.98Mo0.02O4). The porous BiV0.98Mo0.02O4electrode was prepared using a surfactant assisted metal–organic decomposition technique at 500 °C. The comparison of the photocurrent–voltage characteristics of the BiV0.98Mo0.02O4electrodes with and without the presence of Co-Pi catalyst demonstrated that the Co-Pi catalyst enhanced the anodic photocurrent of the BiV0.98Mo0.02O4electrode with its effect more pronounced at lower potentials. A stable photocurrrent density of 1.0 mA cm−2 at 1.0 V vs.Ag/AgCl was achieved under standard AM 1.5 illumination using 0.5M Na2SO4 aqueous solution in phosphate buffer at pH7. Relative to the BiV0.98Mo0.02O4electrode, a sustained enhancement, nearly doubled photocurrent density was observed at 1.0 V vs.Ag/AgCl for Co-Pi/BiV0.98Mo0.02O4 composite photoelectrode. Significant performance gains are obtained on BiV0.98Mo0.02O4electrodes upon modification with Co-Pi water oxidation catalyst.

Solar water splitting via multi-junction semiconductor photoelectrochemical cells provides direct conversion of solar energy to stored chemical energy as hydrogen bonds. Economical hydrogen production demands high conversion efficiency to reduce balance-of-systems costs. For sufficient photovoltage, water-splitting efficiency is proportional to the device photocurrent, which can be tuned by judicious selection and integration of optimal semiconductor bandgaps. Here, we demonstrate highly efficient, immersed water-splitting electrodes enabled by inverted metamorphic epitaxy and a transparent graded buffer that allows the bandgap of each junction to be independently varied. Voltage losses at the electrolyte interface are reduced by 0.55 V over traditional, uniformly p-doped photocathodes by using a buried p–n junction. Advanced on-sun benchmarking, spectrally corrected and validated with incident photon-to-current efficiency, yields over 16% solar-to-hydrogen efficiency with GaInP/GaInAs tandem absorbers, representing a 60% improvement over the classical, high-efficiency tandem III–V device. Solar water-splitting efficiency can be enhanced by careful bandgap selection in multi-junction semiconductor structures. Young et al. demonstrate a route that allows independent bandgap tuning of each junction in an immersed water-splitting device, enabling a solar-to-hydrogen efficiency of over 16%.

Nanostructured Si eliminates several critical problems with Si photocathodes and dramatically improves a photoelectrochemical (PEC) reaction important to water-splitting. Our nanostructured black Si photocathodes improve the H2 production by providing (1) near-ideal anti-reflection that enables the absorption of most incident light and its conversion to photogenerated electrons and (2) extremely high surface area in direct contact with water that reduces the overpotential needed for the PEC hydrogen half-reaction. Application of these advances would significantly improve the solar H2 conversion efficiency of an ideal tandem PEC system. Finally, the nanostructured Si surface facilitates bubble evolution and therefore reduces the need for surfactants in the electrolyte.

Sunlight absorption within the electrolyte impacts the performance and design of high-efficiency tandem PEC devices as evidenced by detailed balance calculations.

Using renewable energy to drive direct carbon capture systems is a powerful way to contribute to net negative emissions. When using liquid alkaline sorbents for CO 2 direct air capture, it is critical to reduce the energy demand for CO 2 concentration and sorbent regeneration. Electrodialysis is an ideal candidate technology to integrate renewable energy into this process, however, to enable this ion-exchange membrane separators that can operate at high ion flux and low voltage are needed. Bipolar membranes (BPMs), that generate protons and hydroxide ions from the dissociation of water when operated in reverse bias, are the enabling component to generate acid and base in electrodialysis systems. Bipolar membrane electrodialysis (BPMED) uses a BPM to create acidifying and basifying chambers which are well suited to concentrate and release CO 2 and concentrate the remaining alkaline effluent to cycle back to the capture process. Current BPM durability, however, sufferers at high current density (ion flux) and physical scale. BPMs have several known degradation mechanisms including chemical breakdown of ion exchange polymers, loss of junction adhesion, or physical breakdown due to shearing force and pressure swings in an electrodialysis cell. To assess the electrochemical and mechanical durability of BPMs under operational conditions, we investigated how fabrication conditions (including preconditioning, hot pressing, and catalyst loading) impact the adhesion of custom made BPMs. T-peel studies were performed ex-situ to quantify adhesive forces of BPMs made of different compositions and prepared under different conditions, and BPMED experiments were performed to assess the electrochemical performance of the corresponding BPMs. The BPMED results show that, while adhesion is necessary to physically maintain the BPM junction, mechanical adhesion alone cannot overcome poor ion and water transport management at the water dissociation junction. The results of this systematic comparison indicate that in order for BPMs to operate at high current densities, high adhesion forces made during fabrication of BPMs will need to be balanced with water dissociation kinetics and ion/water transport through the individual membrane layers.

As the energy transition matures and society looks to mitigate the negative impact of hard-to-decarbonize sectors, the production of green sustainable fuels becomes increasingly important. Photoelectrochemical (PEC) water splitting offers a path towards direct solar-to-hydrogen conversion through its integrated all-in-one design. However, practical device efficiency goals (>20%) necessitate the use of high efficiency III-V semiconductor materials that are unstable in aqueous electrolyte. The rapid degradation of these materials in aqueous media limits their utility to short-lifetime lab-scale devices. Some of the highest efficiency PEC devices to date employ GaInP in the photocathode to drive the hydrogen evolution reaction despite its limited stability. Protective coatings and catalyst layers improve the stability of GaInP photocathodes, but much remains unknown about the exact degradation mechanisms. Here, we use electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and distribution of relaxation times (DRT) analysis to gain insight into the processes underpinning the degradation of GaInP-based photocathodes in PEC devices. The EIS technique can monitor charge transfer resistance investigation in PEC devices, but it has had suspect utility for III-V photocathode degradation studies due to rapid material corrosion and slow measurement times. However, the emerging technique of rapid, hybrid EIS measurements provides immense value as a non-destructive and frequency-dependent probe which distinguishes physical processes by their time constants with high resolution. The DRT analysis deconvolutes features of an impedance spectrum without requiring a priori knowledge of the physical processes that contribute to the observed response and ensures unbiased assessment of the data. In this work, we test the effects of Pt nanoparticulate catalyst loading and illumination level on the device impedance and correlate the results to semiconductor corrosion. By varying the cell operating conditions, we perform a robust assignment of the impedance response to physical phenomena. EIS corrosion studies can be complemented by chemical (ICP-MS) and microscopic (optical interferometry) techniques to enhance their correlation. The impedance and material dissolution data provide a better understanding of III-V semiconductor photocorrosion mechanisms.