Wie Licht MoS2-Dünnschichten katalytisch aktiviert

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 Helmholtz-Zentrum Berlin zeigt jetzt, 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 zu zwei­dimen­sio­nalen Schichten über­ein­ander­legen. Das Material ist ein Halb­leiter. Aber schon ein blauer Lichtpuls mit über­raschend geringer Intensität genügt, um die Eigen­schaften der Ober­fläche zu verändern und sie metallisch zu machen. 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.

Nomi 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 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.

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.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  N. L. A. N. Sorgenfrei et al.: Photodriven Transient Picosecond Top‐Layer Semiconductor to Metal Phase‐Transition in p‐Doped Molybdenum Disulfide, Adv. Mater. 2021, 2006957 (2021); DOI: 10.1002/adma.202006957
• Institut Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH