Invertierte photonische Gläser aus Kohlenstoffnitrid als Funktionelles Gradientenmaterial für die Photokatalyse

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Jannika Lauth; Professor Dr. Sebastian Polarz
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561333292

Die Photokatalyse stellt eine der wichtigsten Funktionalitäten von Halbleitermaterialien dar, besonders wenn es um die Umwandlung von gut verfügbaren Ausgangsverbindungen wie Wasser oder Kohlenstoffdioxid in wertvollere Produkte geht, die wiederum in der chemischen Wertschöpfungskette eingesetzt werden können. Kohlenstoffnitrid gilt als eines der vielversprechendsten Halbleiter, da es aus gut verfügbaren Elementen besteht und aus einfachen und günstigen Vorstufen hergestellt werden kann. Um die Sonne als unerschöpfliche Energiequelle für die Photokatalyse einsetzen zu können, ist es von Vorteil mit Halbleitern zu arbeiten, die unterschiedliche Bandlücken besitzen. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung bietet Kohlenstoffnitrid nicht nur diese Option, die Position des Leitungsbandes von graphitischem Kohlenstoffnitrid ermöglicht die Photoreduktion von CO2. Eine weitere Möglichkeit die Ausbeute der Photonen für die Photokatalyse zu steigern, ist durch die "Verlangsamung von Photonen". Darunter versteht man zwei Effekte: 1. Die Maximierung der Streuung in einem Material und 2. die Reduktion der Gruppengeschwindigkeit der Wellenpakete in bestimmten Zonen der photonischen Bandstruktur. Ziel des Projekts ist die Synthese neuartiger CNx-materialien, die Effekte "verlangsamter Photonen" für die Photokatalyse ausnutzen. Wir planen über ein Ultrazentrifugations-basiertes Verfahren erstmalig photonische Gläser mit invertierter Struktur herzustellen. Größeneinheitliche Poren in einer Matrix aus Kohlenstoffnitrid besitzen in diesen eine Nahordnung aber keine Fernordnung. Stimmt die Energie der photonischen pseudo-Lücke mit der elektronischen Bandlücke überein, wird eine Verbesserung der photokalytischen Effizienz erwartet, was im Rahmen des Projekts untersucht wird. Ein Vorteil im Vergleich zu photonische Kristallen mit einer langreichweitigen Ordnung ist, dass die Sammlung des Lichtes aus beliebigen Winkeln erfolgen kann. Durch die nicht-kristallinen Anordnung der Poren wird desweiteren die Bildung von Domänen verhindert, was die Erzeugung von Gradientenmaterialien erlaubt, in denen die elektronische und photonische Bandlücke entlang einer Orstkoordinate variiert. Die Veränderung der elektronischen Bandlücke wird dabei durch eine Veränderung der Zusammensetzung des Kohlenstoffnitrids (Dotierung) gesteuert, wobei wir durch eine Vielzahl von Methoden u.a. die transiente Absorptionsspektroskopie die optoelektronischen Eigenschaften und die Dynamik der photogenerierten Ladungsträger genau charakterisieren werden. Wir erhoffen uns, dass CO2 in den neuen Gradienten-Metamaterialien mehrfach photoreduziert werden kann, da diese eine entsprechende Multi-Junction Architektur besitzen. Das Projekt wird von einem Team aus einer materialchemisch ausgerichteten Arbeitsgruppe (Polarz) und einer Arbeitsgruppe (Lauth) durchgeführt, die im Bereich der physikalisch-chemischen Charakterisierung der optoelektronischen Eigenschaften von Halbleiternanostrukturen spezialisiert ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen