Hochgeordnete Porenstrukturen in Photoelektroden: der Einfluss auf die solare Wasserspaltung

• Antragsteller: Dr. Marcus Einert
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 469377211

Die Erzeugung von Wasserstoff als erneuerbare Energiequelle ist ein wichtiger Baustein in der Energiepolitik zur weltweiten Minimierung der CO2-Emission. Ziel des Forschungsvorhabens des Walter-Benjamin Programms ist es, herauszufinden wie sich die Vergrößerung der Oberfläche von Elektrodenmaterialien auf die photoelektrochemische Wasserstoffproduktionseffizienz von kupferbasierten Metalloxiden auswirkt. Es soll gezeigt werden, in wie weit die Erzeugung hochgeordneter Nanostrukturen (sogenannte Mesoporen) im Halbleitermaterial, Einfluss auf die Mobilität von Ladungsträgern an der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche nimmt. In diesem Gedankenexperiment fließt die allgemeine Überlegungen ein, dass eine Oberflächenvergrößerung zu einer deutlichen Erhöhung der Kontaktfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt führt, woraus - womöglich - ein erhöhter Ladungsaustausch und somit eine verbesserte Wasserstoffproduktion resultieren könnte. Zudem wird durch die Entstehung von Nanoporen im Material der Weg, den die Ladungen bis zum Elektrolyten zurücklegen müssen, stark verkürzt. Dies könnte die Anzahl verfügbarer Ladungen an der Elektrodenoberfläche ebenfalls deutlich erhöhen. Diesen positiven Eigenschaften von porösen Elektroden stehen auch negative Einflussfaktoren gegenüber. Eine Erhöhung von Oberflächen führt nämlich zwangsläufig auch zur Erzeugung von sogenannten Oberflächendefekten, die eine Art Fallenzustand für die sich fortbewegenden elektrischen Ladungen darstellen. Sind die Ladungen erst einmal "gefangen", können sie nicht mehr zum Photostrom (und somit zur Wasserstoffproduktion) beitragen.Ziel des Forschungsvorhabens ist es deshalb, kupferhaltige Metalloxide über nasschemische Prozesse (Tauchbeschichtungsverfahren) mit unterschiedlichen Porenstrukturen herzustellen. Unter Verwendung verschiedener Polymer-Template während der Synthese soll die Porenmorphologie systematisch variiert und miteinander verglichen werden. Mit Hilfe der Analysemethoden der Photoelektronen- und Oberflächenphotospannungsspektroskopie soll die Anzahl und die energetische Lage der Fallenzustände (Defekte) an der Oberfläche bestimmt und mit dem Grad der Porenordnung im Material korreliert werden. Die beiden Oberflächencharakterisierungsmethoden werden verwendet, um die Defektkonzentration auf/an der Oberfläche exakt zu ermitteln und in Relation zu den photoelektrochemischen Eigenschaften der Elektroden zu setzen. Die Ergebnisse sollen die Frage beantworten, welche der oben vorgestellten Ladungstransferprozesse sich letztlich am stärksten auf die Wasserstoffproduktion auswirken. Aus den gewonnenen Informationen sollen Schlussfolgerungen von der Oberflächenchemie auf die Materialeigenschaften gezogen werden, um den allgemeinen Nutzen von Porenstrukturen für die solare Wasserspaltung zu diskutieren und Verbesserungsvorschläge für zukünftige Herstellungsprozesse von Photoelektroden anzubieten.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle