Katalysatorforskning for solbrændstoffer:Amorft molybdænsulfid fungerer bedst

Effektive og billige katalysatorer vil være nødvendige for produktion af brint fra sollys. Molybdænsulfider betragtes som gode kandidater. Et team hos HZB har nu forklaret, hvilke processer der finder sted i molybdænsulfider under katalyse, og hvorfor amorft molybdænsulfid fungerer bedst. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet ACS katalyse .

Sollys kan ikke kun bruges til at generere elektricitet, men også brint. Brint er et klimaneutralt brændstof, der lagrer energi kemisk og frigiver den igen, når det er nødvendigt, enten direkte via forbrænding (hvor der kun produceres vand) eller som elektrisk energi i en brændselscelle. Men at producere brint fra sollys, Der er brug for katalysatorer, der accelererer den elektrolytiske spaltning af vand til oxygen og brint.

En særlig interessant klasse af katalysematerialer til brintgenerering er molybdænsulfiderne (MoS _x ). De er betydeligt billigere end katalysatorer lavet af platin eller ruthenium. I en omfattende undersøgelse, et hold ledet af prof. Dr. Sebastian Fiechter ved HZB Institute for Solar Fuels har nu produceret og undersøgt en række molybdænsulfidlag. Prøverne blev aflejret ved forskellige temperaturer på et substrat, fra stuetemperatur til 500 °C. Lagenes morfologi og struktur ændres med stigende aflejringstemperatur (se transmissionselektronmikroskopi (TEM) billeder). Mens krystallinske områder dannes ved højere temperaturer, molybdænsulfid aflejret ved stuetemperatur er amorft. Det er netop dette amorfe molybdænsulfid aflejret ved stuetemperatur, der har den højeste katalytiske aktivitet.

En katalysator lavet af amorft molybdænsulfid frigiver ikke kun brint under elektrolyse af vand, men også svovlbrintegas i startfasen. Svovlen til dette skulle komme fra selve katalysatormaterialet, og overraskende nok - denne proces forbedrer den katalytiske aktivitet af molybdænsulfid betydeligt. Fiechter og hans team har nu set nærmere på dette og foreslår en forklaring på deres resultater.

De undersøgte amorfe molybdænsulfidprøver, der blev brugt som katalysatorer i vandspaltning ved hjælp af forskellige spektroskopiske metoder, herunder in situ Raman-spektroskopi. Disse målinger viser, at nanokrystallinske områder af molybdændisulfid (MoS ₂ ) dannes over tid i amorfe molybdænsulfidprøver som et resultat af svovl, der undslipper fra molybdænklynger. På samme tid, der produceres mindre og mindre svovlbrinte, så brintproduktionen bliver dominerende.

"Vi kan udlede fra dataene, at områder med lavt svovlindhold med øer af nanokrystallinsk MoS ₂ dannes som følge af, at svovlen slipper ud. Øerne fungerer som katalytisk aktive partikler, " forklarer Fanxing Xi, som udførte målingerne som en del af hendes ph.d.-arbejde.

"Denne indsigt kan bidrage til yderligere at forbedre den katalytiske aktivitet og stabiliteten af ​​denne lovende katalysator til brintgenerering i vandspaltningsprocessen, og kobling af materialet til en elektrolysator, der udelukkende fungerer på sollys, " sagde Fiechter.