TiO2-Nanoröhren als Template für die Synthese maßgeschneiderter Architekturen aus Elektronendonoren und -akzeptoren

• Antragsteller: Professor Dr. Max von Delius; Professor Dr. Patrik Schmuki
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423884277

In einer engen Kollaboration zwischen einer organisch-chemischen und einer materialwissenschaftlichen Arbeitsgruppe sollen maßgeschneiderte organische Farbstoffe auf den inneren und äußeren Oberflächen von freistehenden Titandioxid-Nanoröhren abgeschieden werden. Dieser Templatansatz wird es erstens ermöglichen, den lichtinduzierten Elektronentransfer zwischen organischen Elektronendonor- und Elektronenakzeptordomänen in einer neuartigen, nanostrukturierten Umgebung zu untersuchen. Zweitens ist dieser Ansatz prinzipiell dazu geeignet, eine ideale, bisher noch nicht realisierte "interdigitated heterojunction" Solarzelle zu erzeugen. Im ersten Arbeitspaket sollen TiO2-Nanoröhren in der Arbeitsgruppe Schmuki durch Anodisierung hergestellt werden und im Anschluss Monolagen von maßgeschneiderten organischen Elektronendonoren auf dem Substrat abgeschieden werden. In diesen einfachen Architekturen kann der Einfluss der Farbstoffklasse, des Abstandhalters und der Ankergruppe auf die Kinetik sowie die Effizienz des lichtinduzierten Ladungstransfers von der Monolage auf das Halbleitersubstrat untersucht werden. Im zweiten Arbeitspaket wird die Arbeitsgruppe von Delius modulare Elektronenakzeptor/Ankergruppen-Konjugate synthetisieren und die Arbeitsgruppe Schmuki wird ein kürzlich entwickeltes sogenanntes Corking-Protokoll dazu nutzen, Elektronendonoren auf den inneren und Elektronenakzeptoren auf den äußeren Oberflächen der Nanoröhren abzuscheiden. Das in vorläufigen Arbeiten zuletzt erprobte "elemental mapping" mittels EDS-TEM wird eine zentrale Rolle dabei spielen, nachzuweisen, dass die selektive Immobilisierung erfolgreich war. Anhand dieser präzedenzlosen Architekturen soll weiterhin untersucht werden, welche Elektronendonor/Elektronenakzeptor-Paare sich am besten für einen lichtinduzierten Ladungstransfer über die halbleitende TiO2-Wand hinweg eignen. Im finalen Arbeitspaket wird von Delius seine Expertise mit orthogonalen dynamisch-kovalenten Systemen einbringen, um bifunktionelle Moleküle zu entwickeln, die selektiv das innere und äußere Volumen der TiO2-Nanoröhren durch reversible Quervernetzung ausfüllen werden. Die Größe der Donor-/Akzeptordomänen könnte in einer solchen "interdigitated heterojunction" Architektur zum ersten Mal exakt eingestellt werden, was im Vergleich zu bestehenden "bulk heterojunction" Solarzellen perspektivisch zu deutlich erhöhten Wirkungsgraden führen könnte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen