Invertierte photonische Gläser aus Kohlenstoffnitrid als funktionelles Gradientenmaterial für die Photokatalyse

01.06.2025 bis 31.05.2028

Die Photokatalyse stellt eine der wichtigsten Funktionalitäten von Halbleitermaterialien dar, besonders wenn es um die Umwandlung von gut verfügbaren Ausgangsverbindungen wie Wasser oder Kohlenstoffdioxid in wertvollere Produkte geht, die wiederum in der chemischen Wertschöpfungskette eingesetzt werden können. Kohlenstoffnitrid gilt als eines der vielversprechendsten Halbleiter, da es aus gut verfügbaren Elementen besteht und aus einfachen und günstigen Vorstufen hergestellt werden kann. Um die Sonne als unerschöpfliche Energiequelle für die Photokatalyse einsetzen zu können, ist es von Vorteil mit Halbleitern zu arbeiten, die unterschiedliche Bandlücken besitzen. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung bietet Kohlenstoffnitrid nicht nur diese Option, die Position des Leitungsbandes von graphitischem Kohlenstoffnitrid ermöglicht die Photoreduktion von CO2. Eine weitere Möglichkeit die Ausbeute der Photonen für die Photokatalyse zu steigern, ist durch die "Verlangsamung von Photonen". Darunter versteht man zwei Effekte: 1. Die Maximierung der Streuung in einem Material und 2. die Reduktion der Gruppengeschwindigkeit der Wellenpakete in bestimmten Zonen der photonischen Bandstruktur.
Ziel des Projekts ist die Synthese neuartiger Kohlenstoffnitridmaterialien, die derartige Effekte "verlangsamter Photonen" für die Photokatalyse ausnutzen können. Wir planen über ein Ultrazentrifugations-basiertes Verfahren erstmalig photonische Gläser mit invertierter Struktur herzustellen. Größeneinheitliche Poren in einer Matrix aus Kohlenstoffnitrid besitzen in diesen eine Nahordnung aber keine Fernordnung. Stimmt die Energie der photonischen pseudo-Lücke mit der elektronischen Bandlücke überein, wird eine Verbesserung der photokalytischen Effizienz erwartet, was im Rahmen des Projekts untersucht wird. Das von uns entwickelte Syntheseverfahren ermöglicht es Gradientenmaterialien zu erzeugen, in denen die elektronische und photonische Bandlücke entlang einer Orstkoordinate variiert. Die Veränderung der elektronischen Bandlücke wird dabei durch eine Veränderung der Zusammensetzung des Kohlenstoffnitrids (Dotierung) gesteuert, wobei wir durch eine Vielzahl von Methoden u.a. die transiente Absorptionsspektroskopie die optoelektronischen Eigenschaften und die Dynamik der photogenerierten Ladungsträger genau charakterisieren werden. Wir erhoffen uns, dass CO2 in den neuen Gradienten-Metamaterialien mehrfach photoreduziert werden kann, da diese eine entsprechende Multi-Junction Architektur besitzen.
Das Projekt wird von einem Team aus einer materialchemisch ausgerichteten Arbeitsgruppe (Polarz) und einer Arbeitsgruppe (Lauth) durchgeführt, die im Bereich der physikalisch-chemischen Charakterisierung der optoelektronischen Eigenschaften von Halbleiternanostrukturen spezialisiert ist.

Für die Herstellung der Gradientenmaterialien ist die Fokussierung auf Gläser essentiell, da die photonischen Kristalle nur sehr schwer ohne Domänengrenzen erhalten werden können. Das ist einer der großen Vorteile von photonischen Gläsern. Desweiteren kann nur für die photonischen Gläser auf Grund der isotropen Strukturierung Licht aus allen möglichen Winkeln gesammelt und so genutzt werden kann. Auch diese Eigenschaft halten wir für sehr wertvoll für ein Material, das für Photokatalyse eingesetzt werden soll.