Forskning: Svensk-tyskt forskningssamarbete visar hur ett billigt material kan användas som katalysator för att generera vätgas

2021-03-26

I ett gemensamt forskningsprojekt mellan Sverige och Tyskland har forskare undersökt hur materialet molybdendisulfid kan sönderdela vatten effektivare för att tillverka vätgas.

Molybdendisulfid
Denna bild visar hur Molybdendisulfid ser ut om den tillverkats som en kristall. Till vänster ser vi hur atomerna ordnats när materialet uppträder som en halvledare. De blå bollarna markerar molybdenatomer och de gula visar svavelatomerna. När ljus träffar materialet så sker en liten men betydande strukturändring. Svavelatomerna flyttar lite på sig och ytan blir då metallisk. Ljuspulser från en femtosekundslaser (stora ljusbollar i figuren) får ytan att ändras till att bli metallisk. Vi studerar förloppet genom att sända korta röntgenpulser (små ljusbollar) som ger en signal i form av elektroner som vi mäter med det instrument som utvecklats av uppsalaforskare. I bilden ser vi bara änden av den elektronlins som fångar in elektronerna för undersökning.

Forskare från Uppsala universitet och Helmholtz Zentrum i Berlin har tillsammans undersökt materialet, som kan användas som katalysator för att åstadkomma att vatten sönderdelas i vätgas och syrgas. De vill förstå hur en sådan process äger rum på atomär nivå. Man har för detta projekt använt röntgenkällan BESSY II i Berlin och ett forskningsinstrument som är utvecklat på Uppsala universitet, i samarbete med företaget Scienta Omicron.

– Sönderdelningen av vatten kräver energi som kan tillhandahållas av ljus eller elektricitet. Det fina är att vi visar att ljuset självt kan omvandla molybdendisulfid så att den får den kemiska struktur som behövs för att se till att vätgasproduktionen kan ske så effektivt som möjligt, säger Svante Svensson, professor vid institutionen för fysik och astronomi och fortsätter.

– Molybdendisulfid är vanligen ett halvledande material. Med forskningsutrustningen har vi nu sett att ljuset självt kan initiera en fasövergång i materialet. Ytlagret kan förvandlas till en metall. Detta metallager kan fås att verka som en mycket kraftfull katalysator för att splittra vatten och därmed generera vätgas.

Korta pulser av ljus och röntgenstrålning

Forskningsutrustningen består av en pulsad laser som skickar mycket korta pulser av synligt ljus som förändrar ytan av materialet molybdendisulfid. Därefter har mycket korta pulser av röntgenstrålning från BESSY II-anläggningen skickats mot samma yta. Forskarna har kunnat observera hur ytan oerhört snabbt ändrar sig från att vara halvledande till att bli metallisk. Detta sker ungefär inom loppet av 150 ps (1ps = 1 miljondels miljondels sekunder (10-12 s)).

– Resultatet som vi har kommit fram till är intressant för dem som utvecklar utrustning för att tillverka vätgas med hjälp av elektricitet och/eller solljus. Eventuellt kan utrustningen bli mer effektiv i framtiden med hjälp av det vi har kommit fram till, avslutar Svante Svensson.

Forskningsgruppen leds av professor Alexander Föhlisch från BESSY II, som tillsammans med professor Håkan Rensmo från institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet leder forskarkonsortiet – Uppsala Berlin joint Laboratory (UBjL). Huvudansvarig för detta forskningsprojekt är Dr. Nomi Sorgenfrei från Berlin.

Nyligen publicerades en forskningsrapport om detta i tidsskriften Advanced Materials, läs rapporten här.

Läs mer om forskningsprojektet

Kontakt

Svante Svensson, e-post: svante.svensson@physics.uu.se.

Theresé Herrgård

Last modified: 2021-08-31