Wetenschappers van Rice University die een voorsprong willen hebben op het gebied van energieproductie en -opslag, melden dat ze het hebben gevonden in molybdeendisulfide.

Het Rice-lab van scheikundige James Tour heeft de tweedimensionale vorm van molybdeendisulfide omgezet in een nanoporeuze film die de productie van waterstof kan katalyseren of kan worden gebruikt voor energieopslag.

De veelzijdige chemische verbinding geclassificeerd als een dichalcogenide is inert langs de platte zijden, maar eerdere studies hebben vastgesteld dat de randen van het materiaal zeer efficiënte katalysatoren zijn voor de waterstofevolutiereactie (HER), een proces dat in brandstofcellen wordt gebruikt om waterstof uit water te halen.

Tour en zijn collega's hebben een kosteneffectieve manier gevonden om flexibele films van het materiaal te maken die de hoeveelheid blootgestelde rand maximaliseren en potentieel hebben voor een verscheidenheid aan energiegerichte toepassingen.

Het Rice-onderzoek verschijnt in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Molybdeendisulfide is niet zo vlak als grafeen, de atoomdikke vorm van zuivere koolstof, omdat het zowel molybdeen- als zwavelatomen bevat. Van bovenaf gezien, het lijkt op grafeen, met rijen geordende zeshoeken. Maar vanaf de zijkant gezien drie verschillende lagen worden onthuld, met zwavelatomen in hun eigen vlakken boven en onder het molybdeen.

Deze kristalstructuur zorgt voor een robuustere rand, en hoe meer rand, hoe beter voor katalytische reacties of opslag, zei toer.

"Zoveel chemie vindt plaats aan de randen van materialen, " zei hij. "Een tweedimensionaal materiaal is als een vel papier:een grote vlakte met heel weinig rand. Maar ons materiaal is zeer poreus. Wat we op de afbeeldingen zien is kort, 5 tot 6 nanometer vlakken en veel rand, alsof het materiaal helemaal doorboorde gaten had."

De nieuwe film is gemaakt door Tour en hoofdauteurs Yang Yang, een postdoctoraal onderzoeker; Huilong Fei, een afgestudeerde student; en hun collega's. Het katalyseert de scheiding van waterstof uit water bij blootstelling aan een stroom. "Zijn prestaties als HER-generator zijn net zo goed als elke molybdeendisulfidestructuur die ooit is gezien, en het is heel gemakkelijk te maken, ' zei Tour.

Terwijl andere onderzoekers arrays van molybdeendisulfidevellen hebben voorgesteld die op de rand staan, de Rice-groep pakte het anders aan. Eerst, ze groeiden een poreuze molybdeenoxidefilm op een molybdeensubstraat door anodisatie bij kamertemperatuur, een elektrochemisch proces met veel toepassingen, maar traditioneel gebruikt om natuurlijke oxidelagen op metalen te verdikken.

De film werd vervolgens gedurende één uur blootgesteld aan zwaveldamp bij 300 graden Celsius (572 graden Fahrenheit). Dit zette het materiaal om in molybdeendisulfide zonder schade aan de nanoporeuze sponsachtige structuur, meldden ze.

De films kunnen ook dienen als supercondensatoren, die energie snel opslaan als statische lading en deze in een uitbarsting vrijgeven. Hoewel ze niet zoveel energie opslaan als een elektrochemische batterij, ze hebben een lange levensduur en worden veel gebruikt omdat ze veel meer vermogen kunnen leveren dan een batterij. Het Rice-lab bouwde supercondensatoren met de films; bij testen, ze behielden 90 procent van hun capaciteit na 10, 000 laad-ontlaadcycli en 83 procent na 20, 000 cycli.

"We zien anodisatie als een route naar materialen voor meerdere platforms in de volgende generatie apparaten voor alternatieve energie, Tour zei. "Dit kunnen brandstofcellen zijn, supercondensatoren en batterijen. En we hebben aangetoond dat twee van die drie mogelijk zijn met dit nieuwe materiaal."