Sonnengetriebene CO2-Reduktion an Photoelektroden mit nanoskaliger Architektur und fortgeschrittenem Photonenmanagement

• Antragsteller: Ryan Crisp, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465220299

Trotz des raschen Fortschritts und der potentiellen Stromlieferung erneuerbarer Technologien, bleibt die effektive Nutzung grüner Energiequellen zur chemischen Reaktionssteuerung eine Herausforderung. Es gibt drei entscheidende Bedingungen für chemische Redoxreaktionen: die nötige Reaktanten- und Elektronenanzahl, die richtigen Energieniveaus und die Überwindung jeglicher Aktivierungsbarriere. Die Verhinderung von Solarkraftstofferzeugung als Haupteinschränkung ist bedingt durch die Notwendigkeit mehrerer Elektronentransfers zu den Reaktanten. Antragsziel ist der Entwurf fortschrittlicher Photoelektroden: eine CO2-Reduktionskathode und eine H2O-Oxidationsanode im „Z-Schema“. Die Forschungsgruppen initiieren streng geordnete Substrate zu fortschrittlicher, dreidimensionaler Elektrodenproduktion in solarbetriebenen Reaktoren. Ziel ist die effiziente sonnenlichtgetriebene Kraftstoffproduktion durch Wasseroxidation kombiniert mit CO2-Reduktion (künstlicher Photosynthese). Das Projekt beinhaltet Prozessoptimierung und Detailcharakterisierung der Materialien. Die Photoanode besteht aus geordneten Titandioxid-Nanoröhren mit einem Lichtabsorber (Sb2S3) und einem Katalysator (Ir/V2O5). Die Fotokathode ist eine Aluminiumoxidschablone mit Quantenpunkten (QDs) als Lichtabsorber, die eine Trägermultiplikation (CM) und Cu/Cu2O als Katalysator zeigen. Die Titandioxid-Nanoröhren- und Aluminiumoxid-Templat-Produktion erfolgt durch Anodisierung. Diese beiden Materialien werden zu einer Tandemzelle für die künstliche Photosynthese zusammengesetzt. Flexibilität für die Untersuchung grundlegender Prozesse bietet der modulare Aufbau durch Beleuchtung unabhängig von gegenüberliegenden Seiten oder nacheinander. Folgende Hypothesen werden diskutiert: a) Teilreaktionsoptimierung durch geometrische Oberflächenerhöhung unter Nanostrukturgebrauch. b) Anpassung der QD-Bandenniveaus zu effizienterer CO2-Reduzierung. c) Reaktionskinetikerhöhung durch Trägermultiplikation. d) Effizienzerhöhung künstlicher Photosynthese durch derartige Tandemzellen. Folgendes Verfahren wird zur Hypothesenprüfung angewandt: (I) Photoanode: a) Ablagerung einer Ti-Schicht; b) daraus Bildung eines transparenten Elektronenkollektors; c) Auftragen des Lichtabsorbers auf das geordnete Titandioxid; d) Abscheiden des katalytischen Films und (II) für die Fotokathode: a) Herstellung des Lochkollektors; b) Anbringung des QD-Lichtabsorbers mit CM; c) Addition eines Katalysators. Für beide Elektroden: a) Charakterisierung der Morphologie und Struktur, b) Charakterisierung der optoelektronischen Eigenschaften, d) Aufbau der Tandemzellen. Wir postulieren einen einzigartigen Ansatz zur Herstellung und Charakterisierung von Tandemzellen mit CM für komplexe chemische Reaktionen, über die noch nie berichtet wurde. Dieses Projekt wird neue Einblicke in die Entwicklung maßgeschneiderter Oberflächen und Strukturen für die CO2-Reduktion und die Grundlagenforschung von CM in zukunftsorientierten Materialien bringen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Partnerorganisation: Narodowe Centrum Nauki (NCN)
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Julien Bachmann, Ph.D.
• Kooperationspartnerinnen: Dr. Katarzyna Grochowska; Dr.-Ing. Katarzyna Siuzdak, Ph.D.