Licht aktiviert katalytisch MoS2-Dünnschichten

Preiswerte Katalysatoren ermöglichen kostengünstige Wasserstoffproduktion

Mit einem neuen Instrument an BESSY II namens „SurfaceDynamics@FemtoSpeX“ lassen sich Molybdän-Sulfid-Dünnschichten untersuchen, die als Katalysatoren für die solare Wasserstoffproduktion interessant sind. Ein Lichtpuls löst einen Phasenübergang von der halbleitenden in die metallische Phase aus und verstärkt so die katalytische Aktivität – so die Internetseite des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB).

Mit dem neuen Instrument “SurfaceDynamics@FemtoSpeX” an BESSY II lassen sich Molybdän-Sulfid-Dünnschichten untersuchen, die als Katalysatoren für die solare Wasserstoffproduktion interessant sind. Ein Lichtpuls löst einen Phasenübergang von der halbleitenden in die metallische Phase aus und verstärkt so die katalytische Aktivität – Bild © Martin Künsting /HZB

Dünnschichten aus Molybdän und Schwefel gehören zu einer Klasse von Materialien, die als (Photo)-Katalysatoren infrage kommen. Solche günstigen Katalysatoren werden gebraucht, um mit Sonnenenergie auch den Brennstoff Wasserstoff zu erzeugen. Allerdings sind sie bislang noch wenig effizient. Ein neues Instrument an BESSY II am HZB zeigt nun, wie ein Lichtpuls die Oberflächeneigenschaften der Dünnschicht verändert und das Material katalytisch aktiviert.

MoS2-Dünnschichten sind aus abwechselnden Lagen von Molybdän-Atomen und Schwefel-Atomen aufgebaut, die sich in zweidimensionalen Schichten übereinander legen. Schon ein blauer Lichtpuls mit überraschend geringer Intensität genügt, um die Eigenschaften der Oberfläche des Halbleiters zu verändern und sie metallisch zu machen. Dies hat nun ein Team um die Physikerin Nomi Sorgenfrei an BESSY II gezeigt.

Preiswerte Katalysatoren

Das Spannende daran: In dieser metallischen Phase sind die MoS2-Schichten auch katalytisch besonders aktiv. Sie lassen sich dann zum Beispiel als Katalysatoren für die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff einsetzen. Damit könnten sie als preiswerte Katalysatoren die Produktion von Wasserstoff ermöglichen.

Neu an BESSY II: SurfaceDynamics@FemtoSpeX

Sorgenfrei und ihr Team haben an BESSY II ein neues Instrument aufgebaut, um die Veränderungen an den Proben durch Bestrahlung mit ultrakurzen, schwachen Lichtpulsen mithilfe von zeitaufgelöster Elektronenspektroskopie für die chemische Analytik (trESCA) exakt zu vermessen. Diese Lichtpulse werden an BESSY II mit Femtoslicing erzeugt und sind daher von geringer Intensität. Das neue Instrument SurfaceDynamics@FemtoSpeX kann auch aus diesen schwachen Lichtpulsen in kurzer Zeit aussagekräftige Messdaten von Elektronenenergien, Oberflächenchemie und zeitlichen Veränderungen gewinnen.

Phasenübergang beobachtet

Die Analyse der experimentellen Daten zeigte, dass der Lichtpuls zu einer vorübergehenden Ladungsakkumulation an der Oberfläche der Probe führt, was den Phasenübergang an der Oberfläche von einem halbleitenden Zustand in einen metallischen Zustand auslöst. „Dieses Phänomen sollte auch in anderen Vertretern dieser Materialklasse von p-dotierten halbleitenden Dichalkogeniden auftreten, sodass sich daraus Möglichkeiten ergeben, um die Funktionalität und katalytische Aktivität gezielt zu beeinflussen“, erklärt Sorgenfrei.

->Quelle: helmholtz-berlin.de/news_seitenid=74699