Valenz-Photoelektronen- und Augeremissions-Spektroskopie an der Festkörper-Flüssigkeits-Grenzfläche unter photochemischen Operando-Bedingungen

• Antragsteller: Dr. Robert Seidel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 319327379

Solarenergie ist unsere unerschöpfliche, natürliche Energiequelle und spielt eine zentrale Rolle bei der Bewältigung des zukünftigen, globalen Energiebedarfs, der aufgrund wachsender Bevölkerungszahlen und der zunehmenden Nachfrage nach sauberer Energieerzeugung stetig steigt. Hierbei stellt die größte Herausforderung neben einer effizienten Energiegewinnung die Speicherung in sogenannten Solarbrennstoffen dar, bei denen die Energie in chemischen Bindungen gespeichert ist. Dieses ist analog zur natürlichen Photosynthese, bei der Pflanzen Sonnenlicht, Wasser und CO2 in nutzbare Energieformen umwandeln. Einer der vielversprechendsten, technisch nutzbaren Prozesse, der in Zukunft herkömmliche Konzepte der Energiegewinnung durch nicht-erneuerbare Rohstoffe verdrängen wird, ist die Spaltung von Wasser an katalytischen Oberflächen mit Hilfe des Sonnenlichtes. Technisch kann dies mit einer photoelektrochemischen (PEC) Zelle realisiert werden, die aus einem wässrigen Elektrolyten, einer dem Sonnenlicht ausgesetzten Halbleiter-Anode, und einer Metall-Kathode besteht. Zwei grundlegende Reaktionen bestimmen die Wasserspaltung: die Bildung von molekularem Sauerstoff, O2, an der Photoanode und die Bildung von Wasserstoffgas, H2, an der Kathode. Der Schwerpunkt dieses Antrages liegt auf der ersten der beiden Reaktionen. Aus technologischer Sicht sind die entscheidenden Herausforderungen die Entwicklung stabiler, billiger und ausreichend vorhandener Materialien für die Elektroden einer PEC Zelle, insbesondere der Verbesserung der Photoanoden-Eigenschaften zur effizienteren Wasserspaltung. Derartige Optimierungen können jedoch nur gelingen, wenn die an der Wasser-Feststoff Grenzfläche auf atomarer Ebene auftretenden Wechselwirkungen (mit und ohne Lichteinfall) umfassend verstanden sind. Eines der mächtigsten, experimentellen Werkzeuge zur Analyse der elektronischen Struktur bietet die Photoelektronenspektroskopie (PES), die erst vor kurzem dahin entwickelt worden ist, auch Untersuchungen an der Wasser-Feststoff Grenzfläche durchführen zu können. In diesem noch sehr jungen Bereich der Spektroskopie sind bisher etwa ein Dutzend wissenschaftlicher Publikationen erschienen. Aktuelles Highlight sind gerade publizierte Arbeiten zu Photoelektronen-Spektroskopie-Untersuchungen an zuvor erwähnter PEC Zelle. Hauptziel dieses Antrags ist die Anwendung der erst kürzlich im Rahmen von Mikro-Strahl-Experimenten entdeckten Bedeutung von Auger- und Valenz-Elektronenspektroskopie für das Verständnis der elektronischen Struktur wässriger Lösungen auf die Wasser-Feststoff-Grenzfläche. Dieser, die bisherigen PES Studien ergänzende Schritt ist wesentlich für die Aufklärung der bei der photokatalytischen Wasserspaltung ablaufenden Mechanismen auf atomarer Ebene, und trägt entscheidend bei der Erstellung zukünftiger Konzepte für eine verbesserte solare Energiekonvertierung bei.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen