Design und Optimierung Zinkoxid-basierter Photoanoden fuer die photoelektrochemische Wasserspaltung: Integration von Heterojunctions und Farbstoff-Sensibilisierung mit Cobalt-Eisen Preussischblau-Analoga fuer die Wasseroxidations-Katalyse

• Antragsteller: Dr. Sina Sadigh Akbari
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569714822

Die photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltung ist ein vielversprechender Ansatz für die nachhaltige Wasserstofferzeugung durch Nutzung von Halbleiter-Photoelektroden zur Nutzung von Sonnenenergie. Die Vier-Elektronen-Oxidation von Wasser ist aufgrund ihrer trägen Kinetik und der harschen chemischen Bedingungen ein Engpass. Angesichts der Verfügbarkeit, der Kosteneffizienz und der gut positionierten Bänder hat sich ZnO als vielversprechende Photoanode für die effiziente Wasseroxidation erwiesen. Dennoch beschränkt die breite Bandlücke von ZnO (~3,3 eV) die Lichtabsorption auf den UV-Bereich, und die geringe Ladungstrennungseffizienz schränkt die photokatalytische Aktivität erheblich ein. Dieses Projekt zielt darauf ab, die PEC-Leistung von ZnO-Photoanoden durch Oberflächenmodifikation mit Photosensibilisatoren (PS) und Heterojunction-Design zu steigern und gleichzeitig Co-Fe-Preußischblau-Analoga (CoFe-PBAs) als robuste Wasseroxidationskatalysatoren (WOC) zur Beschleunigung der Reaktionskinetik einzubinden. In der ersten Phase dieser Studie werden Pyridyl-funktionalisierte PS (z. B. Methylenblau, Perylendiimid-Farbstoffe oder Ruthenium-basierte PS) kovalent mit dem CoFe-PBA verbunden, um PS-PBA-Hybridanordnungen zu bilden, die auf ZnO-Oberflächen beschichtet werden, um farbstoffsensibilisierte Photoanoden zu entwickeln. Die direkte elektronische Kommunikation zwischen dem katalytischen Zentrum (Kobaltstellen in PBA) und PS über [Fe(CN)5] wird den Ladungstransfer und die Trenneffizienz erhöhen und die photokatalytische Aktivität verbessern. Durch Integration von Chromophoren wird die Lichtabsorption der Photoanode auf das sichtbare Spektrum ausgedehnt, wodurch die intrinsische Beschränkung von ZnO behoben wird. In der zweiten Phase wird die ZnO-Photoanode mit weiteren Oxid-Halbleitern (wie TiO2, NiO oder BiVO4) beschichtet, um Heterostrukturen zu bilden, welche die lichtinduzierte Ladungstrennung erleichtern. Es wird erwartet, dass die Einbindung von CoFe-PBA in diese Heterostrukturen die PEC-Leistungund die Robustheit der Photoanoden verbessern wird. Charakterisierungs-Methoden (z. B. FT-IR-, Raman-, XPS-, UV-Vis- und PL-Spektroskopie sowie XRD, XAS, SEM und TEM) werden die Eigenschaften der Photoelektroden untersuchen. Die PEC-Sauerstoffentwicklung wird mittels zyklischer Voltammetrie, linearer Sweep-Voltammetrie und Chronoamperometrie untersucht, um kritische Parameter wie die Photostromdichte, den Faraday-Wirkungsgrad, die elektrochemisch aktive Oberfläche (ECSA) und die interne Photonen-zu-Strom-Wirkungsgrade (IPCE) zu bestimmen. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und spektro-elektrochemische Methoden werden die Mechanismen des Ladungstransfers und die Grenzflächenprozesse bei der Wasseroxidation weiter aufklären. Insgesamt zielt diese Forschung darauf ab, eine neue Generation von ZnO-basierten Photoanoden zu entwickeln, die PBA als hochaktiven WOC koppeln, um eine effiziente und stabile PEC-Wasseroxidation zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen