Nano-Energieforschung

Optimale Kontrolle der photokatalytischen Wasserspaltung an Anatasoberfächen

Projektleiter: Prof. Dr. Thorsten Klüner
Kooperationspartner: Prof. Dr. Katherina Al-Shamery, Prof. Dr. Niklas Nilius, Prof. Dr. Walter Neu

Ziel dieses theoretischen Promotionsvorhabens ist es, eine quantendynamische Beschreibung der photoinduzierten Dissoziation von Wasser auf einer Anatas TiO2(101) Oberfläche auf einem atomistischen Niveau und auf einer Femtosekunden-Zeitskala zu ermöglichen. Dadurch sollen die Elementarprozesse der photochemischen Bindungsaktivierung aufgeklärt werden und mit optimaler Kontrolle gesteuert werden. In Kooperation mit experimentellen Arbeitsgruppen soll ein fundamentales mechanistisches Verständnis dieses photokatalytisch hochreaktiven Materials erreicht werden, um die Grundlagen einer wasserstoffbasierten Energiewirtschaft auf molekularer Ebene zu verstehen. Die von der Theorie zu klärenden Fragen sind: Dissoziiert Wasser auf der perfekten Anatas Oberfläche und wie sind die entsprechenden Adsorptionsenergien und -geometrien? Wie entwickelt sich das System nach einer elektronischen Anregung des Adsorbates? Kann dieser Prozess zu einer ausgeprägten Dissoziation führen und inwiefern treten Unterschiede zum elektronischen Grundzustand auf? Im vorliegenden Forschungsvorhaben soll erstmalig die Wasserspaltung auf Anatas mit modernen quantenchemischen und quantendynamischen Methoden untersucht werden. Dabei soll die Methode der lokalen Inkremente zur genauen Behandlung der Elektronenkorrelation erstmals für elektronisch angeregte Zustände eingesetzt werden[i]. Gerade bei dem Prozess der photokatalytischen Wasserspaltung ist eine quantendynamische Behandlung unumgänglich, da quantenmechanische Effekte wie Tunneln gerade bei Reaktionen mit Wasserstoff auftreten. Nach Berechnung der hochdimensionalen Potentialhyperflächen für den Grundzustand und die beteiligten elektronisch angeregten Adsorbat-Substrat-Zustände, erfolgen zunächst stochastische Wellenpaketrechnungen[ii]. Diese werden nachfolgend ergänzt durch quantendynamische Studien der optimalen Kontrolle mit ultrakurzen Laserpulsen, wobei explizit quantendissipative Prozesse (Energierelaxation und Dephasierung) im Rahmen der Theorie eines Surrogat-Hamiltonians berücksichtigt werden[iii].


[i] H.Stoll, Phys. Rev. B 46 (1992), 6700.

[ii] T. Klüner, Prog. Surf. Sci. 85 (2010), 279.

[iii] E. Asplund, T. Klüner, Phys. Rev. Lett. 106 (2011), 140404.