Regelbare 2D-Materialien bestätigen eine mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Theorie

Das 65 Jahre alte Gesetz, das chemische Prozesse wie die Photosynthese beschreibt, wurde mithilfe atomar dünner Schichten aus Bornitrid und Graphit bewiesen.

Energie

Heterostrukturen sind Stapel mit 2D-Schichten aus Graphen und anderen Kristallen. Diese können durch Van-der-Waals-Kräfte an 3D-Substrate gebunden werden, um neuartige Materialien mit außergewöhnlichen elektrochemischen Eigenschaften herzustellen. Das an der Universität Manchester angesiedelte Projekt 2DMAT4ENERGY hatte zum Ziel, Van-der-Waals-Heterostrukturen aus 2D-Materialien mit einstellbaren elektrochemischen Eigenschaften zu konstruieren – ein vielversprechender Weg für Anwendungen bei erneuerbaren Energien. Die Forschung wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen gefördert. „Das elektrochemische Potenzial von Van-der-Waals-Kräften wurde noch nicht voll ausgeschöpft, auch weil Fachkräfte in der Elektrochemie selten die Methoden der Festkörperphysik anwenden, die bisher die Welt der 2D-Materialien dominiert haben“, erklärt Matěj Velický, Projektkoordinator von 2DMAT4ENERGY.

Marcus-Hush-Theorie

Das Projekt führte eine Reihe experimenteller Messungen durch, um einige der Wissenslücken in der Grundlagenforschung für 2D-Materialien zu schließen. Dazu wurde Elektronenstrahllithographie verwendet, um eine elektronentunnelnde Van-der-Waals-Heterostruktur aus hexagonalem Bornitrid und Graphit herzustellen. „Dies lieferte einen experimentellen Beweis für die Vorhersagen der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Marcus-Hush-Theorie des Elektronentransfers, die zu diesem Zeitpunkt noch nicht verifiziert waren. Das war ein aufregendes Karrierehoch, da die Theorie eine der Säulen der modernen Elektrochemie ist“, bemerkt Velický. Das Projekt erzielte auch einen Durchbruch bei der Herstellung von zentimetergroßen Kacheln aus einschichtigem Molybdändisulfid (MoS2) auf Goldsubstraten, die von starken Van-der-Waals-Kräften zusammengehalten werden. Mithilfe der Raman-Spektroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und Elektrochemie konnte das Team zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften von MoS2 durch das zugrunde liegende Gold effektiv eingestellt werden können. Auf der anderen Seite wird die Oberflächenchemie des Goldes durch das subnanometerdicke MoS2 verändert. „Diese Eigenschaften könnten zu Heterostrukturen führen, die für die Elektrodenmodifikation, superkapazitive Energiespeicherung und für Sensoranwendungen nützlich sind“, fügt Velický hinzu. „Dies würde dazu beitragen, dass Geräte für erneuerbare Energien Energie für eine bedarfsgerechte Stromversorgung speichern und unregelmäßige erneuerbare Energien wie Wind oder Sonne ausgleichen.“

Stresstests

Der schwierigste Aspekt des Projekts bestand darin, die Auswirkungen externer Stimuli wie elektrische Felder und mechanische Belastungen auf die Heterostrukturen zu verstehen. Durch die Manipulation dieser Auswirkungen können technische Fachleute die Eigenschaften der Heterostrukturen nach Bedarf anpassen und sie für Anwendungen nutzen. In den Experimenten verwendete das Team die elektrochemische Elektrolytsteuerung, eine effiziente Methode zur Regulierung der elektrischen Ladung in einem Material, mit der die elektronischen und optischen Eigenschaften der Heterostruktur geändert werden können. Die mechanische Beanspruchung wurde sowohl durch Konstruieren eines Substrats mit geeigneter Spannung (erzeugt durch eine absichtliche Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und den 2D-Materialien) als auch durch Biegen des Trägers, auf dem die 2D-Materialien ruhten, untersucht. Die Ergebnisse wurden bereits von Labors auf der ganzen Welt übernommen. Velický fügt hinzu: „Langfristig könnte ein Teil dieser Forschung die Miniaturisierung der Energiespeicherung und -erfassung auf Mikroskala und Nanoskala beschleunigen und so Technologien mit besserer Tragbarkeit, Personalisierung und Nachhaltigkeit voranbringen.“ Das Team konzentriert sich derzeit weiterhin auf die Optimierung von 2D-Substratmaterialien für elektrokatalytische Anwendungen, wie z. B. die in Brennstoffzellen verwendete Wasserstoffentwicklung und Sauerstoffreduktion.