Theoretische Studie von Photo-Elektrokatalyse jenseits von Proton gekoppeltem Elektronentransfer

• Antragsteller: Professor Dr. Harald Oberhofer
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316851445

Für rationales Design und Weiterentwicklung von (Photo-)elektrokatalysatoren, die, zum Beispiel zur Wasseroxidation, großflächig industriell eingesetzt werden können, ist ein grundlegendes atomistisch-theoretisches Verständnis der individuellen Reaktionsschritte unabdingbar. Hierzu konnten, auf vergleichsweise einfachen Prinzipien basiendere, Computersimulationen wertvolle Einsichten liefern und in sogenannten "screening"-Verfahren effizientere Katalysatoren entdecken. Gleichzeitig zeigen solche Überlegungen die Grenzen der mit metallischen Katalysatoren erreichbaren Effizienz auf. Ein Weg diese Grenzen zu überwinden ist es, andere Klassen von Materialien, wie Oxide, Sulfide und Nitride, über klassische Metallkatalysatoren hinaus zu betrachten, wo die Effizienz limitierenden Skalenrelationen nicht generell gültig sind. Zusätzlich ist auch eine Reihe weiterer grundlegender Annahmen, die generell zum Studium electrochemischer Oberflächenreaktionen gemacht werden, dort nicht erfüllt. In Oxiden, zum Beispiel, ist davon auszugehen, dass die Reaktivität der Oberfläche maßgeblich von - möglicherweise geladenen - Defekten beeinflusst wird. Des Weiteren muss in Halbleiterkatalysatoren die elektrochemische Reaktion nicht zwingend durch neutrale Intermediate via Proton-gekoppelter Elektronentransfers (PCET) ablaufen. Wir schlagen daher die Entwicklung eines Simulationsprotokolls vor, welches, basierend auf Festkörper- und Flüssigeinbettungsmethoden, zur Untersuchung dieser beiden Effekte maßgeschneidert ist. Die Einbettungsmethodik wird es uns ermöglichen, nicht-PCET basierte Reaktionspfade zu untersuchen, speziell das Zusammenspiel geladener Reaktionsintermediate mit geladenen Defekten. Als ersten Schritt werden wir das Simulationsprotokoll zur Untersuchung von Wasserspaltung am prototypischen jedoch defektbeladenen TiO2 einsetzen, um somit einen, bezogen auf den Reaktionspfad, unverfälschten Einblick in die Reaktion zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Karsten Reuter