Gasphasensynthese von Hetero-Oxidstrukturen und Verständnis ihrer photokatalytischen Eigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr. Franz Faupel; Professor Dr. Lorenz Kienle
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448935424

Heterooxidstrukturen finden aufgrund ihrer synergetischen strukturellen und chemischen Eigenschaften verbunden mit herausragenden photokatalytischen Eigenschaften eine zunehmende Beachtung. Das vorrangige Ziel dieses Projektes ist es, durch Verständnis ihrer strukturellen, chemischen, physikalischen sowie grenzflächenspezifischen Eigenschaften solche Heterooxidstrukturen weiter zu entwickeln und ihre photokatalytische Effizienz zu verbessern. Für die Herstellung von Photokatalysatoren wurden aufgrund ihrer relativ einfachen Handhabung und geringen Kosten bisher vorwiegend nasschemische Methoden verwendet (Kolloidchemie in flüssiger Phase). Andererseits sind hier die Möglichkeiten Stöchiometrie, Größe und Form der Photokatalysatoren kontrolliert einzustellen sehr begrenzt. Daher zielt dieses Projekt darauf ab, Heterooxidstrukturen über eine Gasphasensynthese herzustellen. Als erstes werden wir eine mit Mehrfach-Targets ausgestattete Magnetron-Gasaggregationsquelle (GAS) zur Herstellung von Heterooxidstrukturen verwenden. (Sektionierte) Multielement Sputtertargets werden hinsichtlich der Verteilung der Elementsektionen so präpariert, dass gezielt Oxidkombinationen mit unterschiedlicher Stöchiometrie und chemischer Anordnung hergestellt werden können. Der Einfluss unterschiedlicher Prozessparameter wie Druck, Gasfluss, elektrische Leistung auf die Größe, Zusammensetzung und Morphologie der Heterooxidstrukturen soll systematisch untersucht werden. In einem alternativen Ansatz werden wir die GAS (wie sie für den Multielement-Target Ansatz benutzt wurde) mit einem selbstgebauten DC-Sputtersystem kombinieren, um so Kern-Satelliten oder Kern-Schale Heterooxidstrukturen herzustellen. Um die Größe und Morphologie der Heterooxidstrukturen zu bestimmen, soll High Angle Annular Dark Field (HAADF)-STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy) mit seinem hohen Z-Kontrast eingesetzt werden. Zusätzliche STEM Tomographie Untersuchungen sollen 3D-Informationen liefern. Im Fokus stehen dabei die Analyse der Phasen und deren Zusammensetzung, die durch eine Kombination von SAED (Selected Area Electron Diffraction) und hochauflösendem STEM erreicht wird. Ferner sollen Elektronenenergieverlustspektrokopie (EELS) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zur detaillierten Bestimmung der chemischen Oxidationszustände der Heterooxidstrukturen genutzt werden. Diese umfassenden und genauen Analysen sollen mit den photokatalytischen Eigenschaften der Heterooxidstrukturen korreliert werden. Die photokatalytischen Eigenschaften werden über das Photobleichen von organischen Farbstoffmolekülen unter UV-Lichteinstrahlung bestimmt. Zusätzlich wollen wir die neue Methode Attenuated Total Reflection Infrared (ATR-IR) benutzen, um damit STIRA (Shallow Trap IR Absorption) zu messen, welche klare Hinweise darauf gibt, inwieweit eine Anregung von Elektronen aus flachen Defektzuständen in das Zustandskontinuum des Leitungsbandes des Photokatalysators stattfindet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen