Detailseite
Projekt
Ferrites for photoelectrochemical water splitting
Antragsteller
Professor Dr. Detlef Bahnemann; Professor Dr. Thomas Bredow; Professor Dr. Michael Wark
Fachliche Zuordnung
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Förderung
Förderung von 2015 bis 2020
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279116705
Das aktuelle Projekt zielt auf die solar-getriebene Wasserstoffbildung durch photoelektrochemische Wasserspaltung unter ausschließlicher Verwendung von häufig vorkommenden Elementen als Elektrodenmaterial, um ökologische und ökonomische Lösungen für eine zukünftige Wasserstofferzeugung zu finden. Dies erfordert die Optimierung der Morphologie und der Ladungssammeleffizienz der einzelnen Photoabsorbermaterialien für die H2- und O2-Entwicklung. Insbesondere verfolgt das Projekt folgende Ziele: (i) Die Entwicklung von Ferrit (MxFe3-xO4 (M = z.B. Zn, Mg, Ca)-basierten Photoelektroden mit verbesserter Effizienz unter Verwendung von Templatmolekülen bei der elektrochemischen Abscheidung, (ii) Ein tiefes Verständnis für die Entstehung und die Dynamik der Ladungsträger und Reaktionszwischenprodukte in Ferrit-basierten photoelektrochemischen Zellen, und (iii) ein Verständnis, wie die Adsorption von Wasser und Hydroxid-Ionen an den verschiedenen Kristallebenen der Ferrite sowie die Dotierung und die Substitution von Metallionen Einfluss auf deren Bandlücken und Bandpositionen nehmen.Nanostrukturierte Ferrit-basierte Elektroden werden mittels Templat-unterstützter elektrochemischer Abscheidung und per Siebdruck von Nanopulvern dargestellt. Die Pulver werden in Anwesenheit komplexierender Ionen oder ionischer Flüssigkeiten in zum Teil Mikrowellen-unterstützten Sol-Gel-Synthesen erhalten. Die verwendeten Template sind kleine organische Moleküle mit Carbonsäuregruppen, die bei der Abscheidung von Oxid-Halbleitern durch Adsorption an bestimmten Kristallebenen Porosität und/oder spezifische Kristallorientierungen induzieren und damit die Photoeffizienz beeinflussen.Laserblitzphotolyse wird verwendet werden, um in den Elektroden den Ladungstransport aufzuklären und die Reaktionszwischenprodukte zu identifizieren. Informationen zu den Lebensdauern der Ladungsträger und der photoangeregten Spezies sowie ihrer Rolle bei der Wasserspaltung werden für Pulverproben und Elektroden erhalten werden.Auf der Basis der Energien der optimierten Ferrite wird es möglich sein, effektive photokatalytische Z-Schemata, und photoelektrochemische Zellen aufzubauen, die speziell für eine kostengünstige Wasserspaltung und die Bildung von reinem Wasserstoff in einer getrennten Kammer ausgelegt sind.Ein integraler Bestandteil dieses Projekts ist das Verständnis der relevanten Prozesse auf atomarem Niveau durch einen systematischen theoretischen Ansatz. Mit Hilfe von voraussetzungsfreien Methoden sollen die Mechanismen der Oberflächenwechselwirkung mit Wasser und OH-Gruppen an der Fest-flüssig-Grenzfläche für verschiedene Ferrit-Elektrodenoberflächen aufgeklärt werden. Der Einfluss dieser Adsorption sowie der Zusammensetzung ternärer und quaternärer MxNyFe3-x-yO4 Phasen auf die elektronischen Eigenschaften (Bandlücke und absolute Bandkantenpositionen) und die Struktur der Oberflächen wird mit einer Kombination von Hybrid-DFT-Methoden und dem GW-BSE-Ansatz untersucht.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
