Photoelectrocatalytic Anion Substituted Perovskites PAP

• Antragstellerin: Professorin Dr. Anke Weidenkaff
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Energieverfahrenstechnik ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279227464

Die photoelektrokatalytische Wasserspaltung mittels geeigneter Halbleitermaterialien unter Nutzung von Sonnenlicht ist eine vielverspreche Methode zukünftig fossile Energiequellen zu ersetzen. Allerdings ist die Leistungsfähigkeit des Verfahrens bisher gering, da die typischerweise eingesetzten Verbindungen - v. a. TiO2 oder Ta3N5 - entweder eine zu große Bandlücke besitzen oder unter den Reaktionsbedingungen nicht ausreichend stabil sind. Ein Lösungsansatz besteht in der Kombination beider Substanzklassen unter Bildung perowskitartiger Oxidnitride AB(O,N)3, da die Perowskit-Struktur äußerst flexibel ist und vielfältige Modifizierungen sowohl auf kationischer (A, B) als auch auf anionischer (X) Seite toleriert. Derartige (teilweise) Substitutionen lassen ein gezieltes Einbringen von Stickstoff und damit ein präzises Einstellen der Bandlücke zu. Dies führt zu einer gesteigerten Quanteneffizienz der gesamten photokatalytischen Reaktion. Darüber hinaus wird die katalytische Effizienz auch maßgeblich von der Morphologie des Materials beeinflusst.Ziel dieses Projektes ist es, die bisher verwendeten binären Oxide und Nitride durch besser geeignete anionisch modifizierte ternäre oder quaternäre Perowskite AB(O,N)3 zu ersetzen. Der Fokus liegt dabei zunächst auf der Verwendung von Titan als B-Kation. Im weiteren Verlauf werden auch chemisch stabilere Zirconiumverbindungen untersucht. Parallel hierzu soll auch der Einfluss und die Anwendbarkeit einer weiteren anionische Substitution mit Fluor unter Bildung von Oxidnitridfluoriden AB(O,N,F)3 evaluiert werden. Umfassende neue Erkenntnisse über den Einfluss kationischer Substitutionen auf der A- und B-Position sowie über die Ammonolyse der oxidischen Edukte sollen mittels moderner materialwissenschaftlicher Methoden gewonnen werden. Zwei weitere wichtige Einflussparameter der photokatalytischen Effizienz stellen die Morphologie und die Defektkonzentration dar. Diese werden im Rahmen des Projektes systematisch untersucht. Die Morphologie kann durch Verwendung von Flussmitteln beeinflusst werden. Die Defektkonzentration kann während der Ammonolyse durch den Einbau höhervalenter Kationen auf der A- oder B-Position sowie den genannten Einbau von Fluor gesteuert werden. Eine generelle Aufgabe wird darin bestehen, für alle zu untersuchenden Verbindungen, effiziente und reproduzierbare Syntheseprotokolle zu entwickeln.Der Test der Photoelektroden und die Fertigung der Photoelektrochemischen Zellen basierend auf den in diesem Projekt hergestellten verbesserten perowskitartigen Oxidnitriden wird in Zusammenarbeit mit den Kollegen aus Darmstadt und Jülich bearbeitet.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1613: Regenerativ erzeugte Brennstoffe durch lichtgetriebene Wasserspaltung: Aufklärung der Elementarprozesse und Umsetzungsperspektiven auf technologische Konzepte
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Stefan Ebbinghaus; Professor Dr. Wolfram Jaegermann; Privatdozent Dr. Bernhard Kaiser; Professor Dr. Martin Lerch; Professorin Dr. Bettina Valeska Lotsch