Metal oxide nanostructures for electrochemical and photoelectrochemical water splitting

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Thomas Bein; Professorin Dr. Dina Fattakhova-Rohlfing; Professorin Dr. Rossitza Pentcheva; Professorin Dr. Christina Scheu
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 220580381

Das Ziel unseres Forschungsprojektes ist die Entwicklung von neuartigen Metalloxid-Nanomorphologien, mit denen eine verbesserte Ausbeute bei der elektrochemischen und licht-getriebenen Wasserspaltung erreicht wird. Unser Forschungsansatz beruht auf zwei Säulen: (1) Auswahl von geeigneten Materialien mittels Hochdurchsatz-Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen und (2) intensive Zusammenarbeit innerhalb des SPP 1613 im Bereich der kombinatorischen Materialsynthese. Damit soll ein schneller, iterativer Entwicklungsprozess geschaffen werden, mit dem vielversprechende Materialien identifiziert und verbessert werden können. Mit geeigneten Kandidaten werden wir mittels unterschiedlicher Synthesestrategien komplexe Nanomorphologien erzeugen. Diese werden von dünnen, kompakten Filmen, über poröse, nanostrukturierte Filme bis hin zu hierarchischen Strukturen reichen. Ein wichtiges Ziel ist dabei die Minimierung von Verlusten, welche durch limitierte Ladungsträgerdiffusion und durch Rekombination verursacht werden. Durch Dotieren, Oberflächenpassivierung und zusätzliche Katalysatoren soll die Effizienz erhöht werden. Desweiteren werden wir Mehrschicht-Elektrodenstrukturen herstellen und dabei die unterschiedliche Lage der Bandkanten als zusätzliche Triebkraft für eine effiziente Ladungsträgertrennung nutzen. Parallel sollen Metalloxid-Nanomorphologien für die Elektrolyse von Wasser entwickelt werden, welche eine reduzierte Überspannung, hohe Ströme und exzellente Stabilität aufweisen. Die Syntheseaktivitäten bauen auf den Erkenntnissen aus der theoretischen Modellierung und der Charakterisierung bis zu atomaren Dimensionen auf. Diese sollen unter anderem den Einfluss der Dotierung auf die elektronische Struktur aufklären. Die mittels Theorie und Elektronenmikroskopie gewonnenen Erkenntnisse sollen in das oben beschriebene Materialdesign einfließen, und so die Effizienz der photoelektrochemischen und elektrochemischen Zellen erhöhen. Degradationsmechanismen werden mittels analytischer Elektronenmikroskopie aufgedeckt und es werden Strategien entwickelt, mit denen eine höhere Stabilität erreicht werden kann.

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