Nanostrukturierte 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

Die nachhaltige Synthese von Ammoniak ist eine der aktuellen Herausforderungen der chemischen Industrie. In diesem Projekt entwickeln wir eine kohlenstoffbasierte Elektronenquelle für die photo(elektro)chemische Reduktion von N2 zu NH3. Das Material der Wahl ist hierbei Diamant, der inzwischen ein gut verfügbares Material ist, das im Industrie-Maßstab durch Hochtemperatur-Hochdruck-Synthese für Partikel und durch chemische Gasphasenabscheidung für dünne Schichten auf Substraten bis zum m2-Maßstab hergestellt wird. Diamant ist chemisch inert, hat eine hohe Überspannung für die H2-Entwicklungsreaktion und weist in dotierter Form eine hohe Mobilität für Elektronen und Löcher auf. Darüber hinaus bieten synthetische Diamantmaterialien die Möglichkeit, die Eigenschaften von Diamanten für die photoelektrochemische Stickstoffreduktionsreaktion (N2RR) anzupassen und zu kontrollieren. Insbesondere die negative Elektronenaffinität von Diamanten ermöglicht die Emission hochreduzierender Elektronen aus dem Leitungsband, was in der zweiten Förderperiode im Mittelpunkt stehen wird. Die große Bandlücke erfordert derzeit eine ultraviolette Anregung, um die solvatisierten Elektronen zu erzeugen. Dotierung, Oberflächenterminierung/-modifizierung und umfassende Nanostrukturierung sind Mittel zur wissensbasierten Beeinflussung der Bandlücke und des Ladungstransfers für N2RR mit sichtbarem Licht sowie der Leitfähigkeit und der Oberfläche mit dem Ziel, die Produktausbeute und Selektivität der elektrochemischen N2RR zu optimieren. Unsere Arbeiten zur Produktanalyse, Synthese und Zellentwicklung in der ersten Förderperiode sind die Basis für die weitere Entwicklung in Richtung der vorgeschlagenen photoelektrochemischen Studien. Die Synthese modifizierter Diamantmaterialien zielt zunächst darauf ab, die Struktur-Aktivitäts-Beziehungen für die elektrochemische und photochemische N2RR getrennt einzustellen und zu verstehen. Daher ist eine gründliche Charakterisierung dieser Materialien erforderlich, insbesondere eine laborgestützte ex-situ und in-situ Charakterisierung mit UV-Vis, elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS), XPS und Synchrotron-Röntgenspektroskopie, um die Zustandsdichte in der Nähe des Fermi-Niveaus abzubilden, das durch Lichtanregung besetzt werden kann. Die Adsorption von Distickstoff und seinen Zwischenprodukten wird mit elektrochemischer Gravimetrie und EIS untersucht, um zu klären, ob die solvatisierten Elektronen wie erwartet als Außensphärenprozess reagieren. Die Besetzung der adsorbierten Zwischenprodukte und damit die Produktausbeute für Ammoniak werden durch einen gepulsten Betrieb optimiert. Mit diesen experimentellen Ansätzen können Struktur-Aktivitäts-Beziehungen identifiziert und rationalisiert werden, um die N2RR wissensbasiert zu optimieren. Die Ergebnisse nutzen wir zum Einsatz optimierter Diamantmaterialien in der photo(elektro)katalytischen Stickstoffreduktion und die Identifikation optimierter Material-Reaktorkombinationen.

• 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")