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Vortrag (20 Min., 5 Min. Diskussion, 5 Min. Raumwechsel)

Atomarer versus molekularer Wasserstoff auf TiO2-Oberflächen: Quantenchemische Simulationen

Thursday (19.09.2019)
09:30 - 10:00 Uhr Eselstall
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Wasserstoff spielt eine wichtige Rolle im Bereich der Energiematerialien. Zum einen stellt er im Rahmen der Energiewende einen aussichtsreichen Kandidaten für zukünftige Energiespeicher dar, der entweder direkt aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonnenlicht etwa über photoelektrochemische Prozesse oder über Elektrolyse aus überschüssiger elektrischer Energie erzeugt werden kann. Die Wechselwirkung von Wasserstoff mit Werkstoffen insbesondere auch an den Oberflächen ist daher von hoher technologischer Bedeutung sowohl für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff als auch für die Erzeugung des Wasserstoffs.


Titandioxid ist ein klassisches photokatalytisch aktives Material und wurde im Rahmen der Forschung zur photoelektrochemischen Wasserspaltung intensiv untersucht und bietet z.B. auch im Bereich von Batterieaktivmaterialien erhebliches Potential. Aufgrund der großen Bandlücke in TiO2 ist der Wirkungsgrad bei der Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff allerdings stark eingeschränkt. Aufgrund seiner elektrochemischen Stabilität und katalytischen Eigenschaften wird es zunehmend als Schutzschicht in Kombination mit anderen Halbleitern verwendet, um einen insgesamt höheren Wirkungsgrad der photoelektrochemischen Elektroden zu ermöglichen. Hierfür ist allerdings häufig eine Änderung der elektronischen Struktur des TiO2 vorteilhaft [1]. Die sogenannte Wasserstoffbehandlung hat sich zur Optimierung der Materialeigenschaften von TiO2 als erfolgsversprechend erwiesen. Allerdings verlangt diese Methode in der Regel harsche Prozessbedingungen, die zur Materialdegradation führen oder benötigt sehr lange Behandlungsdauern, wodurch eine wirtschaftliche Anwendung erschwert wird. Zur Optimierung der Wasserstoffbehandlung bietet sich eine genaue Untersuchung ihrer Wirkmechanismen und der Wechselwirkung von Wasserstoff mit der TiO2-Oberfläche an. Ziel der vorgestellten Arbeit ist insbesondere, Unterschiede in der Effektivität und der Oberflächenwechselwirkung von molekularem und atomarem Wasserstoff mit Hilfe von Dichtefunktionaltheoriesimulationen aufzuzeigen. Aufgrund der Relevanz von Wasserstoff im Bereich der Energiematerialien kann die präsentierte Methodik auch in anderen Bereichen eingesetzt werden.


[1]: A. P. Singh, N. Kodan, B. R. Mehta, A. Held, L. Mayrhofer, Michael Moseler, Band Edge Engineering in BiVO4/TiO2 Heterostructure: Enhanced Photoelectrochemical Performance through Improved Charge Transfer, ACS Catal. 2016, 6, 5311-5318.

Sprecher/Referent:
Dr. Leonhard Mayrhofer
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM