Diamant-basierte Materialien für die photoelektrokatalytische Reduktion von Distickstoff

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Elias Klemm; Professorin Dr. Anke Krüger; Dr. Marcel Risch
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501932605

Diamant ist inzwischen ein weithin verfügbares Material, das in industriellem Maßstab durch Hochtemperatur- und Hochdruck-Synthese für Partikel und durch chemische Gasphasenabscheidung für ausgedehnte dünne Schichten auf Substraten bis zum m2-Maßstab hergestellt wird. Diamant ist chemisch inert, besitzt eine hohe Überspannung für die Wasserstoffentwicklungsreaktion und in dotierter Form eine hohe Mobilität für Elektronen und Löcher. Darüber hinaus bieten technisch hergestellte Diamantmaterialien eine einzigartige Möglichkeit, die Eigenschaften von Diamant für die photoelektrochemische Stickstoffreduktionsreaktion (N2RR) anzupassen und zu kontrollieren. Die negative Elektronenaffinität von Diamant ermöglicht die Emission von stark reduzierenden Elektronen aus dem Leitungsband. Allerdings erfordert die große Bandlücke derzeit eine Anregung im UV-C-Bereich. Dotierung, thermische Behandlung, Oberflächenmodifikation und Nanostrukturierung sind Mittel zur kontrollierten Beeinflussung der Bandlücke und des Ladungstransfers für die mit sichtbarem Licht betriebene N2RR sowie der Leitfähigkeit und der Oberfläche für eine verbesserte elektrochemische N2RR. Das Design und die Synthese modifizierter Diamantmaterialien zielt zunächst darauf ab, die Struktur-Aktivitäts-Beziehungen für elektrokatalytische und photokatalytische N2RR getrennt einzustellen und zu verstehen. Daher ist eine gründliche Charakterisierung dieser Materialien erforderlich, insbesondere eine ex-situ- und in-situ-Charakterisierung durch Röntgenabsorptions- und -emissionsspektroskopie (XAS-XES), um die Zustandsdichte in der Nähe des Fermi-Niveaus abzubilden, und Zustände zu identifizieren, die durch elektrische Polarisation oder Lichtbestrahlung besetzt werden können. Da die lokalen Konzentrationen von N2 und des Protonendonors (pH, pKa) eine entscheidende Rolle bei der elektrochemischen N2RR spielen, werden verschiedene Zell- und Elektrodendesigns untersucht, um die N2RR zu verbessern und die Wasserstoffentwicklungsreaktion zu unterdrücken, die die wichtigste Faradaysche Nebenreaktion ist. Für die photokatalytische N2RR werden Reaktordesigns mit Nanopartikel-Suspensionen oder mit Nanopartikel-beschichteten Oberflächen untersucht. Mit diesem experimentellen Ansatz können Struktur-Aktivitäts-Beziehungen identifiziert und rationalisiert werden. Schließlich werden Synergieeffekte bei der Kombination von elektrischer Polarisation und Lichtbestrahlung untersucht, um einen photoelektrochemischen Ansatz für die direkte Stickstoffreduktion zu Ammoniak unter sehr milden und nachhaltigen Bedingungen zu etablieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2370: Verknüpfung von Katalysatoren, Mechanismen und Reaktorkonzepten für die Umwandlung von Distickstoff durch elektrokatalytische, photokatalytische und photoelektrochemische Methoden ("Nitroconversion")