Themen: Energie (312) Solare Brennstoffe (77) HZB-Eigenforschung (99)

Science Highlight    04.04.2019

Katalysatorforschung für Solare Brennstoffe: Amorphes Molybdänsulfid funktioniert am besten

Die Rasterelektronenmikroskopie zeigt einen Molybdänsulfidfilm, der bei Raumtemperatur aufgebracht wurde.
Copyright: HZB

Spektroskopische Messungen zeigen, wie sich im Lauf der Zeit katatylisch aktive Nanoinseln aus MoS2 bilden.
Copyright: HZB

Für die Produktion von Wasserstoff mit Sonnenlicht werden effiziente und preisgünstige Katalysatoren gebraucht. Molybdänsulfide gelten als gute Kandidaten. Nun hat ein Team am HZB aufgeklärt, welche Prozesse während der Katalyse an  Molybdänsulfiden ablaufen und wieso ausgerechnet amorphes Molydänsulfid am besten funktioniert. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal ACS-Catalysis veröffentlicht.

Mit Sonnenlicht lässt sich nicht nur Strom erzeugen, sondern auch Wasserstoff. Wasserstoff ist ein klimaneutraler Brennstoff, der Energie chemisch speichert und bei Bedarf wieder abgibt: entweder direkt über Verbrennung (wobei nur Wasser entsteht) oder als elektrische Energie in einer Brennstoffzelle. Doch um mit Sonnenlicht Wasserstoff zu produzieren, werden Katalysatoren benötigt, die die elektrolytische Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff beschleunigen.

Auf die Herstellung kommt es an

Eine besonders interessante Materialklasse für Katalysatoren für die Wasserstoff­ent­wicklung sind Molybdänsulfide (MoSx). Sie sind deutlich günstiger als Katalysatoren aus Platin oder Ruthenium. In einer umfangreichen Studie hat ein Team um Prof. Dr. Sebastian Fiechter am HZB-Institut für Solare Brennstoffe nun eine Reihe von Molybdänsulfid-Schichten hergestellt und untersucht. Die Proben wurden bei verschiedenen Temperaturen auf einem elektrisch leitenden Substrat abgeschieden, von Raumtemperatur (RT) bis 500 °C. Dabei ändern sich mit zunehmender Abscheidungstemperatur Morphologie und Struktur der Schichten (siehe SEM-Bilder). Während bei höheren Temperaturen kristalline Bereiche entstehen, ist Molybdänsulfid, das bei Raumtemperatur abgeschieden wurde, amorph. Genau diese amorphen Molybdänsulfidproben besitzen nach einer Aktivierungsphase die höchste katalytische Aktivität. 

Amorphe Proben: ein höllischer Geruch

Dabei setzt ein Katalysator aus amorphem Molybdänsulfid bei der Elektrolyse von Wasser nicht nur Wasserstoff, sondern in der Anfangsphase auch Schwefelwasser­stoffgas frei. Der Schwefel dafür musste aus dem Katalysatormaterial stammen, das bei diesem Prozess seine katalytische Aktivität erstaunlicherweise deutlich verbessert. Fiechter und sein Team haben diesen Prozess nun gründlich unter die Lupe genommen und schlagen eine Erklärung für diesen Befund vor:

Spektroskopie bringt Aufschluss

Sie untersuchten Proben aus amorphen Molybdänsulfid im Einsatz als Katalysator bei der Wasserspaltung mit verschiedenen spektroskopischen Methoden, darunter auch in-situ Raman-Spektroskopie. Diese Messungen zeigen, dass sich in amorphen Molybdänsulfid-Proben durch das Austreten von Schwefel aus Molybdänclustern mit der Zeit nanokristalline Bereiche von Molydändisulfid (MoS2) bilden. Zeitgleich entsteht immer weniger Schwefelwasserstoff, so dass die Wasserstoffproduktion dominant wird.

Nanokristalline Inseln

„Wir können aus den Messdaten ableiten, dass sich durch das Austreten von Schwefel schwefelarme Bereiche mit nanokristallinen MoS2-Inseln bilden. Diese Inseln fungieren als katalytisch aktive Teilchen“, erklärt Fanxing Xi, die die Messungen im Rahmen ihrer Promotion durchgeführt hat. „Diese Einblicke können dazu beitragen, die Aktivität und Stabilität dieses vielversprechenden Katalysators für die Wasserstoffentwicklung im Prozess der Wasserspaltung weiter zu verbessern und das Material an einen mit Sonnenlicht betriebenen Elektrolyseur anzukoppeln“, sagt Fiechter.

 

Zur Publikation in ACS Catalysis (2019): Structural Transformation Identification of Sputtered Amorphous MoSx as an Efficient Hydrogen-Evolving Catalyst during Electrochemical Activation; Fanxing Xi, Peter Bogdanoff, Karsten Harbauer, Paul Plate, Christian Höhn, Jörg Rappich, Bin Wang, Xiaoyu Han, Roel van de Krol, and Sebastian Fiechter.

Doi: 10.1021/acscatal.8b04884

 

 

arö


           



Das könnte Sie auch interessieren
  • <p>Die Idee: Im Sommer wird Schmelzwasser in einem Modul aus Solarzellen und Katalysatoren in Wasserstoff (H<sub>2</sub>) und Sauerstoff gespalten. Das H<sub>2</sub> wird gespeichert.</p>NACHRICHT      22.05.2019

    Energieversorgung in der Antarktis: Ist solarer Wasserstoff eine Alternative zu Erdöl?

    Volkswagenstiftung fördert Machbarkeitsstudie durch HZB-Experten für künstliche Photosynthese

    Auch am Südpol scheint die Sonne – im Sommer sogar fast rund um die Uhr. Forschungsstationen könnten im Sommer mit Sonnenlicht „solaren Wasserstoff“ produzieren und so auf Erdöl weitgehend verzichten. Wasserstoff besitzt eine hohe Energiedichte, lässt sich gut speichern und bei Bedarf als Brennstoff nutzen, ohne die Umwelt zu belasten. Matthias May, HZB, und Kira Rehfeld, Uni Heidelberg, wollen nun überprüfen, ob  die solare Brennstofferzeugung in der Antarktis realisierbar ist. Das Projekt wird von der Volkswagenstiftung gefördert. [...]


  • <p>Bassi untersucht Materialsysteme, die als Photoelektrokatalysatoren die Wasserspaltung mit Licht erm&ouml;glichen.</p>NACHRICHT      20.05.2019

    Posterpreis für HZB Postdoc Prince Saurabh Bassi

    Auf dem "International Bunsen-Discussion-Meeting on Fundamentals and Applications of (Photo) Electrolysis for Efficient Energy Storage” erhielt Dr. Prince Saurabh Bassi den Posterpreis. Bassi ist Postdoc bei Prof. Sebastian Fiechter am HZB-Institut für Solare Brennstoffe.

    [...]


  • <p>Im Innovationslabor HySPRINT arbeiten HZB-Teams an neuen Verfahren zur Herstellung von Perowskit-Solarzellen.</p>NACHRICHT      16.05.2019

    Europäische Perowskit-Initiative EPKI gestartet

    Perowskit-basierte Solarzellen haben in den letzten zehn Jahren enorme Fortschritte gemacht und erreichen im Labormaßstab bereits Wirkungsgrade von 24,2% (Anfang 2019) in Single-Junction-Architekturen und bis zu 28% im Tandem mit kristallinem Silizium. Dies macht sie zu der Solartechnologie, die sich bis heute am schnellsten entwickelt. Das Helmholtz-Zentrum Berlin hat in den letzten Jahren mit dem HySPRINT Projekt und der Rekrutierung talentierter Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler eine erhebliche Forschungskapazität im Bereich Perowskit-Materialien aufgebaut und beteiligt sich an der nun gestarteten Europäischen Perowskit-Initiative EPKI. [...]




Newsletter