Photochemie von Metallcluster - GaN Halbleiter Hybridmaterialien

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Heiz; Professor Dr. Martin Stutzmann
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267799003

Seit langem besteht die Vision, Licht als Energiequelle für chemische Reaktionen zu verwenden. Die Nutzung von Sonnenenergie zur Gewinnung regenerativer Energieträger verstärkt zurzeit das Interesse an photochemischen Prozessen sowohl in Forschung als auch Entwicklung. Vielversprechende heterogen-photokatalytische Systeme stellen hierbei Hybridsysteme dar, welche aus einem Halbleiter und einem Co-Katalysator bestehen. Dabei wird angenommen, dass eine Anregung mit Photonenenergien oberhalb der Bandlücke des Halbleiters Elektronen und Löcher erzeugt, welche über die Bandverbiegung des Halbleiters an dessen Oberfläche voneinander getrennt werden. Durch diesen Prozess wandern Elektronen oder Löcher zum Co-Katalysator, an welchen die chemische Reaktion erfolgt. Während sich die Mehrzahl von Arbeiten der Suche nach neuen Materialen mit verbesserten katalytischen Eigenschaften widmet, sind Untersuchungen fundamentaler Aspekte selten, trotz deren Bedeutung für ein gezieltes Design effizienter Katalysatoren. Genau diese Aspekte sollen Gegenstand des beantragen Projektes sein. Hybrid III-Nitrid-Halbleiter dekoriert mit Pt-Clustern (Größenbereich: bis zu 100 Atome) sollen als Modellsystem zur Aufklärung photokatalytischer Prozesse fungieren. Im Gegensatz zu anderen photokatalytischen Materialien wie TiO2 und ZnO können bei GaN die elektronischen Eigenschaften mittels kontrolliertem Legieren und Dotieren (sowohl p- als auch n-Typ) gezielt gesteuert werden. Als photokatalytische Reaktionen werden Hydrierreaktionen gewählt. Die photokatalytische Effizienz von Hybridsystemen hängt von (i) der Wechselwirkung der Cluster mit den Reaktanden, (ii) der Cluster-Substrat Wechselwirkung und (iii) der Dynamik der photonengenerierten Ladungsträger ab. Während die ersten zwei Effekte bereits die Geschwindigkeit der Dunkelreaktion steuern, ist die Ladungsträgerdynamik entscheidend für die Quantenausbeute bei Beleuchtung. Die Strategie dieses Projektes ist es, diese drei unterschiedlichen Effekte von einander zu entkoppeln. Es wird der Einfluss der Clustergröße, beziehungsweise der Einfluss der Trägers auf die Reaktivität der thermischen Reaktion sowie die photochemische Reaktivität größenselektierter Cluster untersucht. Dazu werden neue Strukturen von Halbleitermaterialien mit definierten Eigenschaften hergestellt und charakterisiert, beispielsweise n-p (p-n) Diodenstrukturen mit vorgegebener Trennung der Landungsträger. Zusätzlich werden exploratorische Studien an nanostrukturierten Trägermaterialien angestellt. Das Projektziel ist es, reaktionsmechanistische Schlüsselparameter, wie die Clustergröße, die elektronische Struktur des Trägers oder die Ladungsträgerdynamiken, aufzuzeigen, wodurch tiefe Einblicke in die katalytische Eigenschaft von Metall-Cluster/Halbleiter Systemen erhalten werden sollen, um letztendlich ein gezieltes Design basierend auf Hybridmaterialen zu erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweden, USA
• Mitverantwortliche: Rui Pereira, Ph.D.; Martin Tschurl, Ph.D.
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Uzi Landman, Ph.D.; Professorin Dr. Karin Larsson; Professor Ian D. Sharp, Ph.D.