Dual-purpose film til energilagring, brintkatalyse:Kemikere får forspring i næste generations energi

Rice University-forskere, der ønsker at få et forspring inden for energiproduktion og -lagring, rapporterer, at de har fundet det i molybdændisulfid.

Kemikeren James Tours Rice lab har forvandlet molybdændisulfids todimensionelle form til en nanoporøs film, der kan katalysere produktionen af ​​brint eller bruges til energilagring.

Den alsidige kemiske forbindelse, der er klassificeret som et dicalcogenid, er inert langs sine flade sider, men tidligere undersøgelser har fastslået, at materialets kanter er yderst effektive katalysatorer for hydrogenudviklingsreaktion (HER), en proces, der bruges i brændselsceller til at trække brint fra vand.

Tour og hans kolleger har fundet en omkostningseffektiv måde at skabe fleksible film af materialet, der maksimerer mængden af ​​eksponeret kant og har potentiale til en række energiorienterede applikationer.

Rice-forskningen vises i tidsskriftet Avancerede materialer .

Molybdændisulfid er ikke helt så fladt som grafen, den atomtykke form af rent kulstof, fordi den indeholder både molybdæn- og svovlatomer. Set fra oven, det ligner grafen, med rækker af ordnede sekskanter. Men set fra siden, tre forskellige lag afsløres, med svovlatomer i deres egne planer over og under molybdæn.

Denne krystalstruktur skaber en mere robust kant, og jo mere kant, jo bedre for katalytiske reaktioner eller opbevaring, sagde Tour.

"Så meget af kemi forekommer ved materialernes kanter, " sagde han. "Et todimensionelt materiale er som et ark papir:en stor almindelig med meget lille kant. Men vores materiale er meget porøst. Det vi ser på billederne er kort, 5- til 6-nanometer fly og en masse kant, som om materialet havde boret huller hele vejen igennem."

Den nye film blev skabt af Tour og hovedforfatterne Yang Yang, en postdoc forsker; Huilong Fei, en kandidatstuderende; og deres kolleger. Det katalyserer adskillelsen af ​​brint fra vand, når det udsættes for en strøm. "Dens ydeevne som HER-generator er lige så god som enhver molybdændisulfidstruktur, der nogensinde er blevet set, og det er virkelig nemt at lave, " sagde Tour.

Mens andre forskere har foreslået arrays af molybdændisulfidplader, der står på kanten, Rice-gruppen tog en anden tilgang. Først, de dyrkede en porøs molybdænoxidfilm på et molybdænsubstrat gennem stuetemperaturanodisering, en elektrokemisk proces med mange anvendelser, men traditionelt brugt til at fortykke naturlige oxidlag på metaller.

Filmen blev derefter udsat for svovldamp ved 300 grader Celsius (572 grader Fahrenheit) i en time. Dette omdannede materialet til molybdændisulfid uden at beskadige dets nanoporøse svampelignende struktur, rapporterede de.

Filmene kan også fungere som superkondensatorer, som lagrer energi hurtigt som statisk ladning og frigiver den i et burst. Selvom de ikke lagrer så meget energi som et elektrokemisk batteri, de har lang levetid og er i bred brug, fordi de kan levere langt mere strøm end et batteri. Rislaboratoriet byggede superkondensatorer med filmene; i test, de beholdt 90 procent af deres kapacitet efter 10, 000 opladnings-afladningscyklusser og 83 procent efter 20, 000 cyklusser.

"Vi ser anodisering som en vej til materialer til flere platforme i den næste generation af alternative energienheder, " sagde Tour. "Dette kunne være brændselsceller, superkondensatorer og batterier. Og vi har vist, at to af disse tre er mulige med dette nye materiale."