Sustainable solar energy conversion with defined ferrite nanostructures

• Antragsteller: Professor Dr. Roland Marschall
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279037452

Photokatalyse und Photoelektrochemie mit Halbleitermaterialien sind wichtige Methoden zur nachhaltigen Nutzung der Sonnenenergie für chemische Umwandlungen. Insbesondere beim Abbau der aktuellen Umweltbelastungen mit Treibhausgasen und Verschmutzungen, aber auch zur Sicherungen des zukünftigen Energiebedarfs finden beide Anwendung. Insbesondere die photokatalytische und photoelektrochemische Spaltung von Wasser zur Herstellung des sauberen Energieträgers Wasserstoff wurde in den letzten Jahren immer stärker erforscht. Allerdings lässt sich feststellen, dass bisher hauptsächlich binäre Oxide wie TiO2, WO3 und a-Fe2O3 intensiv untersucht wurden, diese aber grundsätzliche Nachteile haben (zu große Bandlücken, zu schlechte Ladungsträgerlebenszeiten), um jemals für die Wasserspaltung industrielle Anwendung zu finden. Die Aufgabe von Materialwissenschaftler ist es daher, die Materialbibliothek für die Wasserspaltung zu erweitern, und sich zum Beispiel auch auf mögliche ternäre oder quarternäre Oxide zu konzentrieren. Dabei muss auch beachtet werden, dass keine teuren, sondern möglich häufige Elemente der Erdkruste diesen Materialien inne wohnen, um die Kosten für nachhaltigen Wasserstoff gering zu halten.Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit der Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften ternärer spinellartiger Ferrite (MFe2O4) für die photokatalytische und photoelektrochemische Wasserspaltung. Die zu untersuchenden Materialien bestehen ausschließlich aus häufig vorkommenden Elementen (Ca, Mg, Fe, Zn, O) der Erdkruste, absorbieren große Teile des sichtbaren Lichts (Bandlücke maximal 2,2 eV), und sind somit theoretisch in der Lage, mehr als 10% solar-to-hydrogen Effizienz zu ermöglichen. Diffusionseigenschaften von Ladungsträgern und deren Lebenszeiten in den Ferriten werden ebenso untersucht, wie auch der Einfluss von Nanostrukturierung auf die Eigenschaften von ferritischen Photoelektroden. Sowohl dichte als auch mesoporöse Photoelektroden werden hergestellt, mit Hilfe molekularer als auch nanopartikulärer Baueinheiten. Block-copolymere werden als Template für die Herstellung geordnet mesoporöser Photoelektroden mittels Tauchbeschichtung dienen.Schließlich wird der Aufbau einer autarken Tandemzelle angestrebt, durch die Verwendung sowohl n- als auch p-typischer Ferrite für die jeweiligen Halbzellen, für die räumlich getrennte Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff. Zur Erhöhung der Lichtabsorption ist die Abscheidung der Ferrite auf dotierte Siliziumwafer geplant, zur Herstellung monolithischer p-n-heterojunction Tandem-Photoelektroden.

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