In einer kürzlich abgeschlossenen Studie, die von einem Team um Prof. Li-Tsung Chen vom Zentrum für kondensierte Wissenschaften der National Taiwan University gemeinsam mit anderen Partnern durchgeführt wurde, wurde erfolgreich ein ultradünner binärer Molybdän-Vanadium-Sulfid-Legierungsdünnfilm mit Schwefel-Leerstellen (Svac-Mo1-xVxS2) entwickelt. Dieser fungiert als Photokatalysator und kann Kohlendioxid effizient zu Kohlenmonoxid reduzieren. Die zugehörigen Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „ACS Nano“ veröffentlicht.
Das Forschungsteam setzte eine innovative „capping“ Gas-Flüssig-Fest (VLS) Wachstumstechnik ein, um eine kontrollierte Herstellung von wafergroßen, kontinuierlichen ultradünnen Mo1-xVxS2-Legierungsdünnfilmen zu realisieren. Diese Methode nutzt eine Siliziumdioxid-Dünnfilm-Schicht als Deckschicht, um effektiv das Entweichen des Vanadium-Vorläufers zu begrenzen. Durch Gasdiffusion werden Schwefel und Wasserstoff bereitgestellt, was in der nanoskopischen Umgebung ein gleichmäßiges und symmetrisches Wachstum zweidimensionaler Kristallite fördert. Diese Technik erhöht signifikant die Einbaurate von Vanadium in das MoS2-Kristallgitter und überwindet die Kontrollschwierigkeiten herkömmlicher Legierungsverfahren.
Mikrostrukturanalysen und theoretische Berechnungen zeigen, dass die Anwesenheit von Vanadiumatomen in der Legierungsfolie eng mit der Dichte der Schwefel-Leerstellen (Svac) zusammenhängt. Eine erhöhte Vanadiumkonzentration führt zu einer höheren Schwefel-Leerstelldichte und zur Bildung von Vanadium-Schwefel-Leerstellen-Paaren (V–Svac pairs). Diese gepaarte Struktur induziert einen Ladungstransfer vom Vanadium zu benachbarten Schwefel- und Vanadiumatomen, verändert den elektronischen Zustand des Materials und verbessert dessen Lichtabsorptionsfähigkeit im sichtbaren Spektralbereich erheblich. Unter simulierter Sonneneinstrahlung und in Gegenwart von Wasser zeigte der doppelschichtige Svac–Mo1-xVxS2-Dünnfilm eine hervorragende photokatalytische Leistung bei der CO2-Reduktion. Seine Kohlenmonoxid-Erzeugungsrate war etwa fünfmal höher als die von reinem MoS2, die interne Quanteneffizienz erreichte etwa 0,017%, und der Katalysator konnte für mindestens 20 Stunden stabil betrieben werden.
Die Bedeutung dieser Forschungsergebnisse liegt darin, dass sie nicht nur eine praktikable Synthesestrategie zur präzisen Steuerung atomarer aktiver Zentren (V–Svac pairs) bereitstellt, sondern auch mechanistisch den entscheidenden Einfluss von Dotierungs- und Defekt-Engineering auf die elektronische Struktur und Leistung von Photokatalysatoren aufzeigt. Wie Prof. Li-Tsung Chen betont, demonstriert diese Arbeit das enorme Potenzial der Nutzung von Defekt-Dotierungs-Engineering für die Entwicklung fortschrittlicher Katalysatoren für künstliche Photosynthese, hin zu kohlenstoffneutralen Energielösungen.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Pin-Pin Huang et al., Titel: „Capping-Assisted Vapor-Liquid-Solid Growth of Vanadium-Substituted Molybdenum Disulfide Ultrathin Films and Their Enhanced Photocatalytic Activity“, veröffentlicht in: „ACS Nano“ (2026). Zeitschrifteninfo: „ACS Nano“
