Clustergrößen- und zeitaufgelöste XUV Photoelektronenspektroskopie von isolierten photokatalytischen Wasserspaltungssystemen

• Antragsteller: Dr. Sebastian Hartweg
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556292160

Die photokatalytische Spaltung von Wasser zur Erzeugung von molekularem Wasserstoff und Sauerstoff im industriellen Maßstab nach dem Vorbild der Photosynthese ist ein schwer erreichbares technologisches Ziel. Die Relevanz und Bedeutung dieses Ziels scheint in letzter Zeit zuzunehmen, da Gesellschaften auf der ganzen Welt neue Quellen erneuerbarer Energie suchen. Ein Teil des Problems, das den Fortschritt auf dem Weg zu diesem Ziel behindert, ist die überraschende Komplexität des natürlichen Photosyntheseapparats, die grundlegende Erkenntnisse über die Funktionsmechanismen und Prozesse aus experimentellen Studien begrenzt. Selbst einfachere Modellsysteme mit stark reduzierter Komplexität konnten bisher allenfalls in flüssigen Lösungen untersucht werden, was die Bandbreite der anwendbaren experimentellen Methoden sowie die in ihren Ergebnissen auflösbaren Details der Reaktionsschritte einschränkt. Ein genaues Verständnis der beteiligten Elektronen- und Protonentransferreaktionen auf molekularer Ebene ist jedoch entscheidend für eine mechanistisch geleitete Suche nach alternativen, technologisch nutzbaren Wasserspaltungssystemen. Um tiefe physikalische Einblicke in die beteiligten Prozesse zu erhalten, werden in diesem Projekt einfache Modellsysteme von minimaler Größe verwendet, die die Fähigkeit zeigen, Wassermoleküle nach optischer Anregung zu spalten. Diese Modellsysteme in Form von Clustern eines molekularen Photokatalysators (d.h. eines Chromophormoleküls) mit Wassermolekülen können in der Gasphase oder in suprafluiden Helium-Nanotröpfchen isoliert werden, so dass ihre Untersuchung mit dem gesamten Spektrum von Photoionisationstechniken, frei von störenden Einflüssen der Umgebung, möglich ist. Insbesondere werden wir an diesen Systemen Clustergrößen- und zeitaufgelöste Photoelektronenspektroskopie durchführen, was die direkte Beobachtung aller Zwischenschritte ermöglicht, die zur Spaltung der Molekülbindung im Wassermolekül führen. Für diese Untersuchungen werden wir einen optischen Femtosekunden-Pump-Probe-Aufbau mit hoher Wiederholrate, bestehend aus einem abstimmbaren Laser und einer kompakten, monochromatisierte XUV-Quelle auf der Grundlage der Erzeugung hoher Harmonischer mit einem Photoelektronen-Photoionen-Koinzidenzspektrometer kombinieren. Während alle in diesem Projekt vorgeschlagenen experimentellen Techniken bereits in der Vergangenheit demonstriert wurden, wurde über ihre Kombination und Anwendung auf wasserstoffgebundene Cluster noch nicht berichtet. Damit wird eine neue experimentelle Technik geschaffen, die ein noch nie dagewesenes mechanistisches Verständnis der Prozesse ermöglicht, die zur photokatalytischen Wasserspaltung beitragen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Delay-Line Detektor 75 mm ; Multipass cell pulse compression ; Optical parametric amplifier ; Yb-Laser-System
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser ; 5770 Lichtmodulatoren, Elektrooptik, Magnetooptik ; 5800 Photodetektoren, -zellen, -widerstände für UV-VIS