Ladungstrennung in Metalloxid-Nanokompositen

Der Einsatz erneuerbarer Energien basiert vielfach auf der Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie oder in elektrische Energie. Bislang dafür eingesetzte Materialien weisen hinsichtlich ihrer Aktivität und Selektivität noch deutliche Grenzen auf. Daher erfordern diese Umwandlungsprozesse Materialien neuartige Materialarchitekturen und chemische Zusammen- setzungen. Methoden, die es erlauben, die verschiedene funktionelle Eigenschaften eines Festkörpers, wie z.B. für die Adsorption von Ausgangsstoffen ausgezeichnete Oberflächenzentren oder Festkörperbereiche zur Lichtabsorption, auf kleinsten Längenskalen kontrolliert anzuordnen, werden benötigt. Das Forschungsprojekt konzentriert sich auf die Synthese und Charakterisierung einer Klasse neuartiger und zusammengesetzter Nanostrukturen (Nanokomposite). Dazu werden chemisch reaktive Erdalkalimetalloxide wie Bariumoxid und Strontiumoxid mit Titandioxid als etabliertem Photokatalysator in Kontakt gebracht. Durch thermische Behandlung können solche Komposite zumindest teilweise in ferroelektrische Perowskite umgewandelt werden. Von diesen wird erwartet, dass sie unter Lichtbestrahlung die Trennung von photogenerierten Ladungsträgern deutlich erhöhen können. An diesen Materialien sollen lichtinduzierte Grundprozesse und damit potenzielle ferroelektrische Beiträge zur Verbesserung der Ladungstrennung untersucht werden. Dazu werden zwei verschiedene Materialsysteme entwickelt: (i) Nanopartikelpulver mit hoher spezifischer Oberfläche und einstellbarer Dichte; (ii) geschichtete Nano-Lochfilme mit kontrollierbarer Porosität, Zusammensetzung und Dotierung, welche auf zweidimensionalen Substraten aufgetragen werden. Der Einfluss spontaner Polarisation auf die Ladungstrennung und die Oberflächenchemie von photogenerierten Ladungsträgern wird an beiden Materialsystemen analysiert. Der Einfluss der Partikelgröße auf die Struktur, innere Spannungen und ferroelektrischen Eigenschaften wird mit Hilfe von Elektronenmikroskopie, Röntgenbeugung und weiterer spektroskopischer Methoden untersucht. Drei komplementäre Testverfahren sollen eingesetzt werden, um Leistungskennzahlen für die Photoaktivität der Materialien zu ermitteln: (i) Elektronen- spinresonanzzur Konzentrationsbestimmung von Defekten undphotogenerierten Oberflächenradikalen; (ii) Untersuchung der Photoreduktion von Kohlendioxid; (iii) räumlich selektive Photodeposition von anorganischen Markern (wie Silber oder Blei) zur Ermittlung von Regionen, in denen spontane Polarisationseffekte die Photoreduktion und -oxidation fördern. Dieses Projekt soll maßgeblich zur Entwicklung von photoaktiven Materialien für die Energie- umwandlung und Photokatalyse beitragen. Des Weiteren gehen wir davon aus, dass diese Arbeit großen Einfluss auf die zukünftigen materialwissenschaftlichen Erkenntnisse in der Sensorik, für piezoelektrische Energieumwandler und ganz allgemein für Elektrokeramiken haben wird.