Ett nytt material utvecklat vid Rice University baserat på molybdendisulfid exponerar så mycket av kanten som möjligt, vilket gör det effektivt som både en katalysator för väteproduktion och för energilagring. Kredit:Tour Group/Rice University
Rice University-forskare som vill få ett försprång i energiproduktion och lagring rapporterar att de har hittat det i molybdendisulfid.
Kemisten James Tours rislabb har förvandlat molybdendisulfids tvådimensionella form till en nanoporös film som kan katalysera produktionen av väte eller användas för energilagring.
Den mångsidiga kemiska föreningen som klassificeras som en dikalkogenid är inert längs sina platta sidor, men tidigare studier har fastställt att materialets kanter är mycket effektiva katalysatorer för väteutvecklingsreaktion (HER), en process som används i bränsleceller för att hämta väte från vatten.
Tour och hans kollegor har hittat ett kostnadseffektivt sätt att skapa flexibla filmer av materialet som maximerar mängden exponerad kant och har potential för en mängd olika energiorienterade tillämpningar.
Rice-forskningen visas i tidskriften Avancerade material .
Molybdendisulfid är inte riktigt lika platt som grafen, den atomtjocka formen av rent kol, eftersom den innehåller både molybden- och svavelatomer. Sett från ovan, det ser ut som grafen, med rader av ordnade hexagoner. Men sett från sidan, tre distinkta lager avslöjas, med svavelatomer i sina egna plan över och under molybdenet.
Denna kristallstruktur skapar en mer robust kant, och desto mer kant, desto bättre för katalytiska reaktioner eller lagring, sa Tour.
"Så mycket av kemin förekommer vid kanterna av material, " sa han. "Ett tvådimensionellt material är som ett pappersark:en stor slät med väldigt liten kant. Men vårt material är mycket poröst. Det vi ser på bilderna är kort, 5- till 6-nanometers plan och mycket kant, som om materialet hade borrat hål hela vägen igenom."
En tunn, flexibel film utvecklad vid Rice University visar utmärkt potential som vätekatalysator eller som energilagringsenhet. Den tvådimensionella filmen skulle kunna vara en kostnadseffektiv komponent i sådana tillämpningar som bränsleceller. Kredit:Tour Group/Rice University
Den nya filmen skapades av Tour och huvudförfattarna Yang Yang, en postdoktorand forskare; Huilong Fei, en doktorand; och deras kollegor. Det katalyserar separationen av väte från vatten när det utsätts för en ström. "Dess prestanda som HER-generator är lika bra som alla molybdendisulfidstrukturer som någonsin har setts, och det är verkligen lätt att göra, " sa Tour.
Medan andra forskare har föreslagit uppsättningar av molybdendisulfidskivor som står på kanten, Rice-gruppen tog ett annat tillvägagångssätt. Först, de odlade en porös molybdenoxidfilm på ett molybdensubstrat genom anodisering vid rumstemperatur, en elektrokemisk process med många användningsområden men som traditionellt används för att förtjocka naturliga oxidskikt på metaller.
Filmen exponerades sedan för svavelånga vid 300 grader Celsius (572 grader Fahrenheit) under en timme. Detta omvandlade materialet till molybdendisulfid utan att skada dess nanoporösa svampliknande struktur, de rapporterade.
Filmerna kan också fungera som superkondensatorer, som lagrar energi snabbt som statisk laddning och släpper ut den i en skur. Även om de inte lagrar lika mycket energi som ett elektrokemiskt batteri, de har lång livslängd och används ofta eftersom de kan leverera mycket mer kraft än ett batteri. Rislabbet byggde superkondensatorer med filmerna; i tester, de behöll 90 procent av sin kapacitet efter 10, 000 laddnings-urladdningscykler och 83 procent efter 20, 000 cykler.
"Vi ser anodisering som en väg till material för flera plattformar i nästa generation av alternativa energienheter, Tour sa. "De här kan vara bränsleceller, superkondensatorer och batterier. Och vi har visat att två av dessa tre är möjliga med detta nya material."
