Günstig und effizient Wasser spalten

Mit Sonnenlicht lässt sich nicht nur Strom erzeugen, sondern auch Wasserstoff, der als klimaneutraler Brennstoff Energie chemisch speichert und bei Bedarf wieder abgibt: entweder direkt über Verbrennung 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.
 

Eine besonders interessante Materialklasse für Katalysatoren für die Wasserstoffentwicklung sind Molybdänsulfide (MoS_x). Sie sind deutlich günstiger als Katalysatoren aus Platin oder Ruthenium. In einer umfangreichen Studie hat ein Team um Sebastian Fiechter am Institut für Solare Brennstoffe des Helmholtz-Zentrums Berlin nun eine Reihe von Molybdänsulfid-Schichten hergestellt und untersucht. Die Proben wurden bei verschiedenen Temperaturen auf einem elektrisch leitenden Substrat abgeschieden, von Raumtemperatur bis 500 Grad Celsius. Dabei ändern sich mit zunehmender Abscheidungstemperatur Morphologie und Struktur der Schichten. 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. 

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:

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 bilden. Zeitgleich entsteht immer weniger Schwefelwasserstoff, so dass die Wasserstoffproduktion dominant wird.

„Wir können aus den Messdaten ableiten, dass sich durch das Austreten von Schwefel schwefelarme Bereiche mit nanokristallinen Molydändisulfid-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. 

HZB / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. Xi et al.: Structural Transformation Identification of Sputtered Amorphous MoSx as an Efficient Hydrogen-Evolving Catalyst during Electrochemical Activation, ACS Catalysis 9, 2368 (2019); DOI: 10.1021/acscatal.8b04884
• Institut Solare Brennstoffe (R. van de Krol), Helmholtz-Zentrum Berlin