SEM visar molybdensulfid avsatt vid rumstemperatur. Kredit:HZB
Effektiva och billiga katalysatorer kommer att krävas för produktion av väte från solljus. Molybdensulfider anses vara goda kandidater. Ett team på HZB har nu förklarat vilka processer som sker i molybdensulfider under katalys och varför amorf molybdensulfid fungerar bäst. Resultaten har publicerats i tidskriften ACS-katalys .
Solljus kan inte bara användas för att generera elektricitet, men även väte. Väte är ett klimatneutralt bränsle som lagrar energi kemiskt och släpper ut den igen vid behov, antingen direkt via förbränning (där endast vatten produceras) eller som elektrisk energi i en bränslecell. Men för att producera väte från solljus, Det behövs katalysatorer som påskyndar den elektrolytiska uppdelningen av vatten till syre och väte.
En särskilt intressant klass av katalysmaterial för vätegenerering är molybdensulfiderna (MoS x ). De är betydligt billigare än katalysatorer gjorda av platina eller rutenium. I en omfattande studie, ett team ledd av prof. Dr. Sebastian Fiechter vid HZB Institute for Solar Fuels har nu producerat och undersökt en serie molybdensulfidlager. Proverna avsattes vid olika temperaturer på ett substrat, från rumstemperatur till 500 °C. Skiktens morfologi och struktur förändras med ökande avsättningstemperatur (se bilder med transmissionselektronmikroskopi (TEM)). Medan kristallina områden bildas vid högre temperaturer, molybdensulfid avsatt vid rumstemperatur är amorf. Det är just denna amorfa molybdensulfid avsatt vid rumstemperatur som har den högsta katalytiska aktiviteten.
En katalysator gjord av amorf molybdensulfid frigör inte bara väte under elektrolys av vatten, men även vätesulfidgas i inledningsfasen. Svavlet för detta måste komma från själva katalysatormaterialet, och häpnadsväckande - denna process förbättrar den katalytiska aktiviteten av molybdensulfiden avsevärt. Fiechter och hans team har nu tittat närmare på detta och föreslår en förklaring till sina upptäckter.
De undersökte amorfa molybdensulfidprover som användes som katalysatorer vid vattenspjälkning med olika spektroskopiska metoder, inklusive in situ Raman-spektroskopi. Dessa mätningar visar att nanokristallina regioner av molybdendisulfid (MoS 2 ) bildas med tiden i amorfa molybdensulfidprover som ett resultat av svavel som läcker ut från molybdenkluster. På samma gång, allt mindre vätesulfid produceras, så att väteproduktionen blir dominerande.
"Vi kan dra slutsatsen från data att lågsvavliga områden med öar av nanokristallint MoS 2 bildas till följd av att svavlet läcker ut. Öarna fungerar som katalytiskt aktiva partiklar, " förklarar Fanxing Xi, som utförde mätningarna som en del av hennes doktorandarbete.
"Dessa insikter kan bidra till att ytterligare förbättra den katalytiska aktiviteten och stabiliteten hos denna lovande katalysator för vätegenerering i vattenuppdelningsprocessen, och koppla materialet till en elektrolysör som enbart arbetar på solljus, sa Fiechter.
