Immobilisierte ZnTe magic-sized nanocluster: eine Plattform für leistungsstarke chemische Reduktion

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Bredol
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504808434

Die globalen Probleme der Energieversorgung werden einerseits durch die Knappheit der wesentlichen Energiequellen (Gas, Öl, Kohle, Uran) verursacht, aber andererseits auch durch die Emission von klimaschädlichen Gasen (insbesondere CO2) in die Atmosphäre. Neue, alternative Energiequellen finden sich etwa in der direkten Nutzung der solaren Einstrahlung, die nicht nur Primärenergie bereitstellen kann, sondern auch (in Analogie zur Photosynthese) helfen kann, CO2 durch photokatalytische Reduktion aus der Atmosphäre zu entfernen. Solar-getriebene CO2 -Reduktion würde einen sehr vorteilhaften Weg aufzeigen, um das technisch in großen Mengen verfügbare CO2 in praktisch nutzbare Basischemikalien oder Treibstoffe zu verwandeln und nicht in die Atmosphäre zu entlassen. Leider ist die chemische Reduktion von CO2 aber ein kinetisch sehr stark behinderter Prozess, da zunächst intermediär das CO2•- Anionradikal gebildet werden muss. Im Prinzip könnte ZnTe diese Situation erheblich verbessern, da seine Leitungsbandkante dem Energieniveau des CO2/CO2•- Redoxpaares entspricht. Die bisher mangelnde photochemische Stabilität von ZnTe muss dazu aber enorm verbessert werden, wenn ZnTe das Basismaterial für brauchbare Photokatalysatoren werden soll. Das hier beantragte Projekt wird vor diesem Hintergrund ZnTe in der Form von “magic-sized nanocrystals” designen, synthetisieren und evaluieren: Nanopartikel mit bestimmten (sehr kleinen) Zahlen von Baueinheiten von ZnTe sind erheblich stabiler als ein durchschnittlicher Nanokristall und bieten daher einen Weg, ZnTe-basierte Photo- und Elektrokatalysatoren mit hinreichender praktischer Stabilität herzustellen. Das Projekt wird sich nicht nur mit der Herstellung und Charakterisierung solcher Nanomaterialien befassen, sondern auch mit ihrer Immobilisierung auf leitenden und nicht leitenden Substraten. Die so erzeugten Nanokomposite werden dann vor dem Hintergrund rein optischer oder photoelektrochemischer Reduktion von CO2 (oder auch anderen technisch interessanten Kandidaten wie etwa N2 oder Metall-Ionen) evaluiert werden. Ein solch ambitioniertes Projekt kann nur in einem interdisziplinären Ansatz erfolgreich sein: Forscher aus vier unterschiedlichen Gruppen in Polen und Deutschland werden ihre komplementäre Expertise nutzen, um Zn-Chalkogenide zu präparieren, photoelektrochemisch zu charakterisieren, ihre Oberflächenchemie zu untersuchen und die beteiligten elektonischen Zustände an der Bandkante zu charakterisieren. Das angestrebte Ergebnis ist ein chemisch möglichst einfacher, aber skalierbarer (Elektro-) Photokatalysator, um CO2 als wertvolle Ressource für Kohlenstoff-basierte Chemie nutzen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr.-Ing. Katarzyna Matras-Postolek, Ph.D.