Quantum chemical and quantum dynamical studies of the photocatalytic water splitting on titanium dioxide surfaces

• Antragsteller: Professor Dr. Thorsten Klüner
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 221465315

Eine gezielte Strategie zur Entwicklung neuer Konzepte und Technologien zur photokatalytischen Wasserspaltung unter Verwendung anorganischer Materialien (artifizielle Photosynthese) setzt ein detailliertes, d.h. atomistisches Verständnis der zu Grunde liegenden Elementarprozesse voraus. Das spezifische Ziel dieses Projekts ist die möglichst genaue Simulation der photokatalytischen Wasserspaltung auf idealen, defektbehafteten und stickstoffdotierten (Rutile und Anatas) Titandioxid-TiO2(110)-Oberflächen. Diese Oberflächen dienen als hinreichend einfache Modellsysteme, um die relevanten photokatalytischen Prozesse mit Hilfe moderner quantenchemischer und quantendynamischer Verfahren ohne Verwendung experimenteller Parameter zu simulieren. Dieser ab initio Ansatz basiert auf eingebetteten Clustermodellen der Oberfläche und verwendet für die genaue Beschreibung des elektronischen Grundzustands des H2O/TiO2(110)-Systems und für die an der photokatalytischen Wasserspaltung beteiligten elektronisch angeregten Zustände quantenchemische Methoden jenseits der üblichen Dichtefunktionaltheorie (DFT), d.h. CASSCF und CASPT-2. Diese Methoden ermöglichen die Berechnung genauer, hochdimensionaler Potentialflächen, welche die Grundlage für exakte quantendynamische Simulationen im Rahmen stochastischer Wellenpaketrechnungen bilden, welche fundamentale Einblicke in den Mechanismus der artifiziellen Photosynthese im direkten Vergleich mit Experimenten ermöglichen werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1613: Regenerativ erzeugte Brennstoffe durch lichtgetriebene Wasserspaltung: Aufklärung der Elementarprozesse und Umsetzungsperspektiven auf technologische Konzepte