Nano Energy Research

Der Einfluss von Defektstellen und Interstitials auf die photokatalytische Aktivität von TiO2(110)

Projektleiterin: Prof. Dr. Katherina Al-Shamery
Kooperationspartner: Prof. Dr. Thorsten Klüner, Prof. Dr. Niklas Nilius

Titandioxid wird weltweit intensiv untersucht, da man sich verspricht, dieses ungiftige und günstige Material für die photochemische Wasserspaltung und damit für die chemische Solarenergiekonversion (d.h. zur Herstellung sogenannter „solar fuels“) einzusetzen. Kommerzielle Katalysatoren setzen sich aus einer Mischung der kristallinen Modifikationen Rutil und Anatas zusammen. Den verschiedenen Modifikationen wird eine unterschiedliche photokatalytische Aktivität zugeschrieben. Intensiv diskutiert wird in der Literatur zudem, welche Rolle Defektplätze, d.h. Oberflächensauerstofffehlstellen und Volumendefekte aus besetzten Zwischengitterplätzen von Ti-Ionen („Interstitials“) für die katalytischen Prozesse spielen. In der AG Al-Shamery ist es erstmals gelungen, eindeutig die Rolle der Interstitials von Rutil-TiO2(110) für die thermische Umsetzung von Benzaldehyd zu Stilben zu zeigen. In FT-Infrarotspektroskopischen Messungen konnte dabei das an der Oberfläche stabilisierte Intermediat in Abhängigkeit der Konzentration der Interstitials nachgewiesen werden. Ziel der experimentellen Arbeiten des Promotionsvorhabens im Promotionsprogramm ist es, die Untersuchungen auf photokatalytische Reaktionen auszudehnen. Zu klärende Fragen wären: Kann die Diffusion der Volumendefekte an die Oberfläche gezielt mittels Licht angeregt werden? Sind eher Hydroxylgruppen und „Bridging Oxygen Vacancys“ für photokatalytische Umsetzungen von Bedeutung? Welche Zeitskalen sind dabei wichtig?  Als Modellreaktion soll die Methanoloxidation zu Methylformat eingesetzt werden. Diese mehrstufige Reaktion verläuft über Adsorption von Methanol unter Ausbildung einer Methoxygruppe, von der photochemisch Wasserstoff abgespalten wird. Daraus bildet sich Formaldehyd, was photochemisch mit einer zweiten Methoxyspezies zu Methylformat weiterreagiert. Der Mechanismus wurde anhand indirekter Messungen aufgestellt. Einen direkten Beweis gibt es bisher nicht. Untersucht werden soll diese Reaktion unter Einsatz von polarisationsabhängiger Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie und Rastertunnelmikroskopie in Kombination mit der kohärenten Anregung mittels eines Femtosekundenlasers an Rutil-TiO2(110)-Einkristalloberflächen. Mögliche Diffusionslängen von Interstitials soll über den Einsatz ultradünner Schichten TiO2 auf einem Siliziumwafer mit einer isolierenden Nd2O3-Zwischenschicht ermittelt werden, für deren Präparation Expertise aus Vorarbeiten vorhanden ist.