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Projekt
Development of catalysts, namely manganese oxides and molybdenum sulphides, for an implementation in a light-driven water-splitting device using a multi-junction solar cell
Antragsteller
Professor Dr. Holger Dau; Professor Dr. Sebastian Fiechter; Professor Dr. Philipp Kurz
Fachliche Zuordnung
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Förderung
Förderung von 2012 bis 2020
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 221303480
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung edelmetallfreier Katalysatoren zum Einsatz in direkt lichtgetriebenen Zellen zur Gewinnung des solaren Treibstoffes H2 aus Wasser. Die ins Auge gefassten Zellen bzw. Geräteinheiten umfassen a) amorphe Manganoxide zur Katalyse der Wasseroxidation, b) Molybdänsulfide zur Katalyse der Protonenreduktion und c) Mehrschicht-Halbleitersysteme für die lichtinduzierte Erzeugung einer elektrischen Potentialdifferenz. Strukturelle und funktionelle Untersuchungen sollen die wissensgeleitete Optimierung der Katalysatoren ermöglichen, wobei die durch biologische Systeme inspirierten Katalysatoren auch für die Anwendung in verschiedenen anderen Systemen zur Wasserspaltung von Interesse sind. Die bio-inspirierten und somit edelmetallfreien Katalysatoren könnten auch eine großskalige Anwendung ermöglichen, unbehindert durch Rohmaterialknappheit. Die anodischen und kathodischen Katalysatoren werden separat mit einer Kombination von Elektrochemie und Spektroskopie untersucht. Atomare Struktur und Oxidationszustände der meist amorphen Katalysatoren werden mittels Röntgenspektroskopie (X-ray absorption spectroscopy, XAS) charakterisiert. Als Proof-of-principle wird eine komplete Hybridzelle erstellt und untersucht.Der primäre Fokus der ersten Förderperiode lag auf grundlegenden Einsichten in Struktur-Aktivitäts-Beziehungen für die auf inerten Elektroden deponierten Elektrokatalysatoren der OER (oxygen evolution reaction) und HER (hydrogen evolution reaction). In der zweiten Förderperiode fahren wir fort, die nun etablierte Kombination von (i) Katalysatorsynthese, (ii) funktioneller Charakterisierung, (iii) Untersuchung der atomaren Struktur und (iv) Betrieb der Katalysatoren im photovoltaischen Testsystem einzusetzen. Wir fahren fort mit einem Forschungsansatz, der mehr auf grundlegende Einsichten zielt als auf rein empirische Katalysator- und Zelloptimierung, planen jedoch eine Fokusverschiebung hin zur Anpassung der Katalysatormaterialien an die Betriebsbedingungen in einer bestrahlten photovoltaischen (PV) Hybridzelle. Die zentralen Ziele der zweiten Förderperiode sind: (1) Wissensgeleitete Modifikationen der Mn-basierten OER- und MoSx-basierten HER-Katalysatoren in Hinblick auf verbesserte Kompatibilität mit den Strom-Spannungs-Charakteristika der photovoltaischen Zelle; (2) verbesserte Methoden zur stabilen Deposition der Elektrokatalysatoren auf Kontaktschichten des Solarzellensystems; (3) Einsichten in die Anforderungen an den wässrigen Elektrolyten mit Fokus auf die Rolle des pH-Bereichs, der Protonenakzeptoranionen und der Kompatibilität mit dem photovoltaischen System; (4) Testbetrieb einer Hybridzelle für licht-getriebene H2-Bildung, welche aus photovoltaischen Dreischicht-Halbleitern sowie edelmetallfreien Katalysatoren auf der Basis von Mangan und Molybdän zusammengesetzt ist.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
