Voor de productie van waterstof uit zonlicht zijn efficiënte en goedkope katalysatoren nodig. Molybdeensulfiden worden als goede kandidaten beschouwd. Een team van HZB heeft nu uitgelegd welke processen er plaatsvinden in molybdeensulfiden tijdens katalyse en waarom amorf molybdeensulfide het beste werkt. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Katalyse .

Zonlicht kan niet alleen worden gebruikt om elektriciteit op te wekken, maar ook waterstof. Waterstof is een klimaatneutrale brandstof die energie chemisch opslaat en weer vrijgeeft als dat nodig is. ofwel direct via verbranding (waarbij alleen water wordt geproduceerd) ofwel als elektrische energie in een brandstofcel. Maar om waterstof te maken uit zonlicht, Er zijn katalysatoren nodig die de elektrolytische splitsing van water in zuurstof en waterstof versnellen.

Een bijzonder interessante klasse katalysematerialen voor waterstofproductie zijn de molybdeensulfiden (MoS _x ). Ze zijn aanzienlijk goedkoper dan katalysatoren van platina of ruthenium. In een uitgebreide studie, een team onder leiding van prof. dr. Sebastian Fiechter van het HZB Institute for Solar Fuels heeft nu een reeks molybdeensulfidelagen geproduceerd en onderzocht. De monsters zijn bij verschillende temperaturen op een substraat afgezet, van kamertemperatuur tot 500 °C. De morfologie en structuur van de lagen veranderen met toenemende depositietemperatuur (zie transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) afbeeldingen). Terwijl kristallijne gebieden worden gevormd bij hogere temperaturen, molybdeensulfide afgezet bij kamertemperatuur is amorf. Juist dit amorfe molybdeensulfide, afgezet bij kamertemperatuur, heeft de hoogste katalytische activiteit.

Een katalysator gemaakt van amorf molybdeensulfide maakt niet alleen waterstof vrij bij elektrolyse van water, maar ook waterstofsulfidegas in de beginfase. De zwavel hiervoor moest uit het katalysatormateriaal zelf komen, en verbazingwekkend genoeg verbetert dit proces de katalytische activiteit van het molybdeensulfide aanzienlijk. Fiechter en zijn team hebben dit nu onder de loep genomen en komen met een verklaring voor hun bevindingen.

Ze onderzochten amorfe molybdeensulfidemonsters die werden gebruikt als katalysatoren bij het splitsen van water met behulp van verschillende spectroscopische methoden, inclusief in situ Raman-spectroscopie. Deze metingen laten zien dat nanokristallijne gebieden van molybdeendisulfide (MoS ₂ ) vormen zich in de loop van de tijd in amorfe molybdeensulfidemonsters als gevolg van zwavel dat ontsnapt uit molybdeenclusters. Tegelijkertijd, er wordt steeds minder zwavelwaterstof geproduceerd, zodat waterstofproductie dominant wordt.

"Uit de gegevens kunnen we afleiden dat laagzwavelige gebieden met eilanden van nanokristallijn MoS ₂ ontstaan ​​door het ontsnappen van zwavel. De eilanden werken als katalytisch actieve deeltjes, " legt Fanxing Xi uit, die de metingen uitvoerde in het kader van haar promotiewerk.

"Deze inzichten kunnen bijdragen aan het verder verbeteren van de katalytische activiteit en stabiliteit van deze veelbelovende katalysator voor waterstofgeneratie in het watersplitsingsproces, en het materiaal koppelen aan een elektrolyser die uitsluitend op zonlicht werkt, ' zei Fiechter.