Verständnis von Struktur und Dynamik von Polaronen in Halbleitern aus Übergangsmetalloxiden durch Vibrationsspektroskopie und Ladungsträgermobilitäten

• Antragsteller: Dr. Philipp Schienbein
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2023 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519139248

Die Erzeugung von Solarbrennstoffen durch Photokalatyse oder Photoelektrochemie ist eine der wichtigsten und vielversprechendsten Anwendungen unserer Zeit. Besonders photokatalytische Wasserspaltung, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt wird, spielt hier eine große Rolle, da Wasserstoff als Schlüsseltechnologie zur Lagerung und zum Transport von Energie angesehen wird. Dennoch steht bis heute kein Photokatalysator zur Verfügung, mit dem Wasserspaltung wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Eine Klasse von Materialien, die häufig bei photokatalytischer Wasserspaltung Verwendung findet, sind Übergangsmetalloxide. Hier regt ein absorbiertes Photon ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband an, sodass die beiden Ladungen getrennt werden. Die getrennten Ladungen können somit separat als Oxidations-, bzw. Reduktionsmittel verwendet werden. Generell lokalisieren sich Ladungen in Metalloxiden oft in sogenannten Polaronen. Dabei ordnen sich die Atome um die Ladung herum neu an und schaffen damit ein Energieminimum, in dem die Ladung gefangen ist. Bezüglich der atomistischen Struktur sind theoretische Rechnungen notwendig, um diese Zustände zu identifizieren. Elektronenstrukturrechnungen (meist hybrid DFT) von Polaronen liefern jedoch häufig keine eindeutige Struktur, da letztere stark vom gewählten Dichtefunktional abhängig ist. Weiteren Eigenschaften des Polarons, wie die Mobilität oder die Elektronentransferkinetik, hängen jedoch von der genauen Struktur des Polarons ab. Daher ist eine genaue Kenntnis der Struktur für weitere Studien unumgänglich. In diesem Projekt plane ich eine fortschrittliche theoretische Untersuchung des Elektronenlochs in BiVO4. Dieses Übergangsmetalloxid ist ein vielversprechender Kandidat zur effizienten Durchführung von photokatalytischer Wasserspaltung. Geplant sind ab initio Molekulardynamiksimulationen des Elektronenlochs in BiVO4 mit hybrid DFT. Aus diesen Simulationen werden Vibrationsspektren (IR und Raman) und die Mobilität des Polarons berechnet. Um die Eigenschaften statistisch ausreichend konvergieren zu können, werden alle Simulationen (auch die Berechnung der Vibrationsspektren) durch Maschine Learning Ansätze beschleunigt. Weiterhin sind Kollaborationen mit experimentellen Kollegen geplant, die die zugehörigen Spektren und Mobilitäten messen. Das Ziel des Projektes ist somit, die theoretischen Rechnungen mit den experimentellen Daten zu verbinden, um damit die exakte Struktur des Elektronenlochs in BiVO4 eindeutig zu identifizieren. Alle verwendeten Methoden sind direkt auf andere Metalloxide anwendbar. Von den gewonnenen Simulations- und Experimentaldaten kann außerdem ein detailliertes Verständnis der Struktur und der Dynamik des Elektronenlochs in BiVO4 gewonnen werden. Das Projekt könnte damit von signifikantem Interesse für die wissenschaftliche Gemeinschaft sein, um Solar-to-fuel Technologien im Interesse der low-carbon Strategie weiter zu optimieren.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeberin: Professorin Jenny Nelson