Entwicklung von Übergangsmetallsulfid-Katalysatoren basierend auf häufig vorkommenden Elementen für Photoelektrochemische Reaktionen jenseits von Wasserspaltung

• Antragstellerin: Dr. Judith Zander
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567179750

Solare Energieumwandlung ist zentral für den Wechsel hin zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft. Photoelektrochemische (PEC) Umwandlung von häufig vorkommenden, wertlosen Ausgangsstoffen erlaubt die Produktion grüner Brennstoffe und wichtiger Alltagschemikalien, wie z.B Ammoniak, durch direkte Kombination von Lichtabsorption und Katalyse in einem integrierten System, mit Licht als einzigem Energieeintrag. Die Effizienz und Langzeitstabilität von PEC Systemen benötigt jedoch eine deutliche Steigerung um industrielle Anwendung in großem Maßstab zu ermöglichen – ins Besondere für herausfordernde Reaktionen wie die Ammoniaksynthese. In diesem vorgeschlagenen Projekt sollen diese Herausforderungen durch das Design neuer Photoelektronen basierend auf effizienten Photovoltaik-Absorbern für die elektrochemische Reduktion von Nitrat, einem Abfallprodukt aus Landwirtschaft und Industrie, angegangen werden. Die Grenzfläche zwischen Absorber und Katalysator soll angepasst werden, um effiziente Ladungsträgerextraktion auf den Elektrokatalysator zu ermöglichen, so wie eine effiziente und selektive Produktion von Ammoniak bei geringen Überpotentialen, in Kombination mit Langzeitstabilität. Übergangsmetallsulfide basierend auf Ni, Fe, Co, und Mo sollen für die Nitratreduktion zu Ammoniak als Kathodenreaktion optimiert werden. Um das insgesamt benötigte Potential zu reduzieren und den Produktwert zu erhöhen, soll die Oxidation von Biomasse mit ähnlichen Sulfidkatalysatoren auf der Anodenseite verendet werden. Diese Strategie erlaubt es, wertvolle Produkte an beiden Elektroden zu synthetisieren, was den Wert des Systems verdoppelt. Die Kombination aus Vergleichsmessungen, detaillierter Materialcharakterisierung und Operando-Analyse soll das rationale Design stabiler und effizienter Photoelektroden münden, was solare Ammoniakproduktion in Kombination mit der Umwandlung von Biomasse einen Schritt näher an industrielle Anwendung bringt und wertvolle Erkenntnisse für zukünftige Entwicklungen liefert.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Thomas Francisco Jaramillo, Ph.D.