Theoretische und experimentelle Untersuchung von Ladungstransfer-Prozessen in der Fotokatalyse an Anatase-TiO2

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Deák; Professor Dr. Michael Reichling
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320293423

Unser Verständnis von fotokatalytischen Prozessen ist noch recht begrenzt, weil für die angenommene Reaktionswege meist eine direkte Bestätigung fehlt. Z. B. ist es oft nicht klar, ob ein Molekül, nach Ergattern des fotoangeregten Ladungsträgers, adsorbiert bleibt oder desorbieren wird. Ladungstransfer zwischen einem Festkörper und der Gasphase ist von großer Bedeutung, auch über die Fotokatalyse hinaus, jedoch dies zu untersuchen fehlen die geeigneten theoretischen und experimentellen Techniken. In diesem Projekt wollen wir solche Methoden entwickeln und diese in Fallstudien von praktischer Bedeutung anwenden. In theoretischen Studien werden oft periodische Modelle angewendet, die erfordern aber Korrekturen wegen der Wechselwirkung zwischen künstlich wiederholten Ladungen. Ladungskorrektur bei Festköper-Gas-Grenzflächen, wo die Ladung sich in einer der beiden Phasen befinden kann, ist immer noch eine Herausforderung. Bisherige Lösungen machen entweder eine Annahme über die Lage der Ladung oder sind nicht selbstkonsistent. Wir schlagen hier vor, ein allgemeines und selbstkonsistentes Ladungskorrekturschema auf verschiedenen Ebenen der Komplexität, für Superzellenrechnungen in 1D-, 2D- und 3D-Systeme zu entwickeln, und in dem Elektronenstruktur-Paket VASP zu implementieren. Angesichts der Komplexität des Problems sind einfache Konvergenztests unzureichend. Da wir kein theoretisches Verfahren kennen, in dem die Vermeidung der Ladungskorrektur nicht in einem Trade-off für Größenkonvergenzprobleme führt, bietet das Experiment die einzig akzeptable Möglichkeit, unsere Methode zu validieren.Reaktionen an isolierenden Oberflächen können durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit atomarer Auflösung verfolgt werden. Die Zuordnung von Intensitätsänderungen zur Ladung von Oberflächenspezies ist jedoch meist spekulativ, weil sie nicht direkt beobachtet werden können. Aufgrund der ladungsempfindlichen Kelvin-Sonde Kraftmikroskopie (KPFM) werden wir ein Verfahren entwickeln, welches in Verbindung mit berührungslosen AFM die eindeutige Bestimmung des Ladezustands von Oberflächenspezies auf atomarer Skala ermöglicht. TiO2 ist wohl der bekannteste Fotokatalysator, aber in der überwiegenden Mehrheit der Fälle war bisher Rutil untersucht, während die Anatase-Form für Fotokatalyse überlegen ist. Daher werden die hier entwickelten theoretischen und experimentellen Werkzeuge für Anatase-TiO2 eingesetzt, wo, nach unseren vorläufigen theoretischen Ergebnissen, sich die chemischen Reaktionswege von denen an Rutil unterscheiden. Nach Charakterisierung der Anatase-Oberfläche auf atomarer Skala durch AFM und nach den notwendigen Entwicklungen für KPFM mit atomarer Auflösung werden wir uns auf die Umwandlung von CO und NO in Verbindungen ohne Gesundheits- und Umweltgefahren konzentrieren. In diesen Fällen spielt der Ladungstransport über die Grenzfläche eine besonders wichtige Rolle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Tschechische Republik
• Mitverantwortlich: Dr. Bálint Aradi
• Kooperationspartner: Professor Dr. Ladislav Kavan; Professor Dr. János G. Ángýan