Kobaltoxid-Siliziumdioxid Kern-Schalen Nanoröhren für die lichtgetriebene CO2 Reduktion durch H2O

• Antragsteller: Dr. Georgios Katsoukis
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 298305337

Die Herausforderung des Projekts besteht sowohl in der Entwicklung als auch in der Untersuchung von Ladungstransport und von der katalytischen Umwandlung einer lichtinduzierten Kohlendioxidreduktion durch Wasser mittels einer makroskaligen Anordnung aus vertikal ausgerichteten Kobaltoxid-Siliziumdioxid Kern-Schalen Nanoröhren. Das Ziel besteht darin, den Photosynthesezyklus zu schließen und die photokatalytische Leistungsfähigkeit durch die Separation der Produkte zu optimieren. Hierbei findet die Katalyse der Wasseroxidation auf der Kobaltoxidoberfläche statt, während die Kohlendioxidreduktion an einer heterobinuklearen, photokatalytischen Einheit stattfindet. Diese Halbreaktionen sind durch eine neuartige protonenpermeable und gleichzeitig sauerstoffblockende Siliziumdioxidmembran voneinander getrennt. Molekulare Drähte sind in die Siliziumdioxidmembran eingebettet um die elektronische Kommunikation zwischen den Halbreaktionen zu ermöglichen. Wir erforschen die Elektronen- und Protonentransporteigenschaften dieses neuartigen, photokalaytischen Systems. Die folgenden Fragestellungen spielen eine wichtige Rolle in der elektrochemischen und photophysikalischen Auswertung: i) Stetiger Protonenfluss durch eine wenige Nanometer dünne (amorph, dichte Phase) Siliziumdioxidschicht, ii) stetiger, durch sichtbares Licht induzierter, Ladungsfluss durch die mit molekularen Drähten funktionalisierte Siliziumdioxidmembran, iii) Ladungstransferdynamiken des Loch-Injektionsprozesses eines Farbstoffes durch die Siliziumdioxid eingebetteten, molekularen Drähte zum Kobaltoxid Katalysator und iv) Relaxations- und Elektronentransferdynamiken eines auf der äußeren Oberfläche aufgebrachten, kohlendioxidreduzierenden, heterobinuklearen Ladungstransferfarbstoffes. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die Identifikation von konkurrierenden Prozessen an den unterschiedlichen Stellen des photokatalytischen Zyklus gelegt (z.B. Kohlendioxid-Reduktionsort, Lichtabsorber, Siliziumdioxidmembran, molekulare Drähte, Wasser-Oxidationsort), um eine Verbesserung des Katalysatordesigns zu erreichen. Es stellt eine fundamentale wissenschaftliche Herausforderung dar, den Photosynthesezyklus im nanoskaligen Bereich und unter Separation der Produkte zu schließen. Es wird dadurch sichergestellt, dass sowohl Neben- und Kreuzreaktionen als auch weitere, degradierende Prozesse minimiert werden. Dies wiederum ist essentiell für die Skalierbarkeit der Photosynthese auf eine angemessene Größe, die einen entscheidenen Einfluss auf die Erzeugung erneuerbarer Solartreibstoffe haben wird.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Dr. Heinz Frei