Heterogene Photokatalyse

Prof. Jennifer Strunk

Es wäre ein großer Fortschritt im Bereich der chemischen Energiekonversion, wenn die Reduktion von CO2 zu Methan oder Methanol, oder die Spaltung von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff nur mit natürlichem Sonnenlicht als Energiequelle realisiert werden könnte. Es ist jedoch trotz intensiver Forschungsanstrengungen in den vergangenen 40 Jahren noch immer kein photokatalytischer Prozess entwickelt worden, der ökologisch und ökonomisch sinnvoll im industriellen Maßstab zum Einsatz kommen könnte. Unser Ziel ist es, ein tiefgreifendes Verständnis der zugrundeliegenden photophysikalischen, katalytischen und elektrochemischen Prozesse zu erlangen. Diese Einsichten schaffen eine Basis für die gezielte Entwicklung verbesserter Photokatalysatoren und Anwendungskonzepte im Hinblick auf eine großtechnische Umsetzung.

Der Schwerpunkt liegt auf halbleitenden Oxiden, angefangen bei TiO2 und ZnO als wohlbekannten photokatalytischen Referenzmaterialien. Verschiedene Methoden der Spektroskopie und elektrochemische Charakterisierung werden verwendet, um die optoelektronischen und katalytischen Eigenschaften zu studieren und die Ladungsträgerdynamik zu verfolgen. Es ist das Ziel, genau diejenigen strukturellen und elektronischen Eigenschaften des Photokatalysators zu identifizieren, die für eine hohe photokatalytische Aktivität verantwortlich sind. In all unseren Studien ist es von zentraler Bedeutung, alle Experimente unter Bedingungen höchstmöglicher Reinheit durchzuführen. CO2 und H2O sind thermodynamisch extrem stabil, so dass jeder andere Reaktant (z.B. Verunreinigungen im Reaktor oder Katalysator) schneller zu scheinbaren Produkten reagieren würde. Modernste Methoden der Spurengasanalytik (GC, QMS) erlauben es uns, die gesamte Bandbreite möglicher Produkte zu quantifizieren und die Stoffbilanz zu schließen. Ein weiterer wichtiger Aspekt unserer Arbeit ist der Entwurf und die Testung neuartiger Laborreaktoren für verlässliche photokatalytische Studien.

Die Komplexität der Herausforderungen wird von Forschungsgruppen mit unterschiedlichen Schwerpunkten bearbeitet: