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Materialsysteme zur praktikablen solaren Wasserstoffproduktion müssen ein umfassendes Anforderungsprofil erfüllen. Unter anderem sind chemische Stabilität in wässrigen Lösungen, eine hohe Lichtabsorptionsrate und eine hohe Effizienz der solaren Energieumwandlung im sichtbaren Spektralbereich zu nennen. In Rahmen des Projekts soll das theoretisch vorhergesagte hohe Anwendungspotential von Übergangsmetall-Dichalcogeniden, wie z.B. monolagiges MoS2, für die solare Wasserstoffgewinnung untersucht werden. Zur erfolgreichen Durchführung des Projektes werden die Expertisen beider Projektpartner in den Bereichen Nanofabrikation, optoelektronischer und Raman Experimente (TUM) sowie elektrochemischer und spektroskopischer Methoden (LBNL) gezielt kombiniert und eingesetzt. Dadurch soll der Weg zur solaren Wasserstoffproduktion in einem integrierten nanoptischen, mikrofluiden Bauelement unter Verwendung von 2D Kristallmembranen geebnet werden.
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Abschlussbericht:
In diesem Forschungsprojekt wurde die µ-Raman Spektroskopie erfolgreich auf ein- und mehrlagige MoS2 Membrane angewendet um den Einfluss der Umgebung z.B. auf die Ladungsträgerdichte zu untersuchen [1] und um die photokatalytische Stabilität des Materials zu testen [2]. Motiviert sind die Untersuchungen mit dem vorhergesagte hohe Anwendungspotential von Übergangsmetall-Dichalcogeniden, wie z.B. MoS2, für die solare Wasserstoffgewinnung.
Während der Projektlaufzeit konnte gezeigt werden, dass Moleküle aus der Umgebungsluft, die an der Oberfläche von MoS2 adsorbiert („Physisorption“) worden sind durch Ladungstransfer als molekulare Gatter fungieren und die Ladungsträgerdichte von intrinsisch n-dotierten MoS2 Schichten, die mittels mikromechanischem Spalten hergestellt wurden, effektiv verarmen. Für diesen Dotiereffekt werden hauptsächlich H2O und O2 Moleküle verantwortlich gemacht. Mit Hilfe der Anregungsleistung des Ramanlasers konnte ein leistungsabhängiges Gleichgewicht aus Desorption und Physisorption neuer Moleküle erzeugt werden. Mit diesem Phänomen des „Photogating“ kann die Ladungsträgerdichte in MoS2 bis zu 2 Größenordnungen ohne die Notwendigkeit elektrischer Kontakte durchgestimmt werden.
Mit diesem Wissen war es möglich, die Änderung der Modenenergie bei Messungen an Luft/Vakuum im Vergleich zu Messungen in DI-Wasser zu verstehen und der Änderung der Ladungsträgerdichte durch Ladungstransfer von MoS2 zu den Wassermolekülen zuzuordnen. In einer umfangeiche Studie konnte nachgewiesen werden, dass defektfreie, vollständig mit DI-Wasser bedeckte MoS2 Basalflächen unter Bestrahlung von Photonen mit Energie größer als die Bandlücke in MoS2 auch unter höchster Leistungsdichte (P ~ 10mW/µm2 äquivalent zu 107 Sonnen) absolut stabil sind. Die katalytisch aktiven Ränder und Kanten der MoS2 Flocken degradieren jedoch unter oben genannten photokatalytischen Bedingungen. Für die Degradierung wird ein Oxidationsprozess verantwortlich gemacht. Die Photostabilität konnte signifikant erhöht werden, wenn der im Wasser gelöste molekulare Sauerstoff O2 durch inertes Stickstoffgas N2 ersetzt wurde.
Interessanterweise ist die Oxidationszeit an den Kanten für DI-Wasser mit O2 als Elektrolyt deutlich von 1 min für die Zwei- und Multilagen auf ca. 45 min für die Monolage verlangsamt. Insgesamt können MoS2 Monolagen in wässrigen Elektrolyten unter moderater Beleuchtungsintensitäten, wie sie zum solaren Wasserspalten verwendet werden, als stabil angesehen werden. Die Studie hebt das große Potential von MoS2 und anderen halbleitenden Übergangsmetalldichalcogenide zur solaren Energiegewinnung weiter hervor. Der Erfolg dieses Forschungsprojektes, der sich in zwei Publikation in ‚high-impact‘ Zeitschriften widerspiegelt, wurde durch intensiven gegenseitigen Austausch der Projektpartner und einem Besuch von Dr. Ager am WSI und einem mehrwöchigen Forschungsaufenthalten von Herrn Eric Parzinger (Doktorand) am JCAP ermöglicht.
Projektbezogene Publikationen:
[1] B. Miller, E. Parzinger, A. Vernickel, A. Holleitner, and U. Wurstbauer, Photogating of mono- and few-layer MoS2, Appl. Phys. Lett. 106, 122103 (2015).
[2] E. Parzinger, B. Miller, B. Blaschke, J. A. Garrido, J. W. Ager, A. Holleitner, and U. Wurstbauer, Photocatalytic Stability of Single- and Few-Layer MoS2, ACS Nano, 9(11), 11302 - 11309 (2015).
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