Project

Discipline

Surface Properties; Perovskite; Oxynitride; Density functional theory; Photocatalysis

Lead
Oxidmaterialien, die in einer Perowskit-Struktur kristallisieren, weisen aufgrund ihrer strukturellen und chemischen Vielfalt ein grosses Potential für Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien auf. Für die Wasserstoffgewinnung anhand von Wasserspaltung zeigen speziell Perowskit Oxinitride mit einer Kombination aus Sauerstoff- und Stickstoffanionen experimentell höchst vielversprechende Resultate. Deren Oberflächenstruktur und -chemie, welche für dieses verbesserte Verhalten mitverantwortlich sein muss, ist jedoch weitgehend unbekannt. Ein detailliertes Verständnis verlangt eine Erforschung der Oberfläche auf atomarer Ebene, was rein experimentell nur schwer realisierbar ist, durch die Kombination mit theoretischen Berechnungen aber möglich wird. Dieses Wissen ist unbedingt erforderlich um den Wirkungsgrad von Oxinitriden bei der Wasserspaltung weiter zu verbessern oder komplett neue Materialzusammensetzungen mit optimierten Eigenschaften zu entwickeln.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, mittels quantenmechanischer Berechnungen die grundlegenden Reaktionsmechanismen der Wasserspaltung auf Perowskit Oxinitriden zu untersuchen und deren oberflächenphysikalische und –chemische Eigenschaften mit denen von stickstofffreien Oxiden zu vergleichen. Dazu werden wir in unserer Forschung i) für unterschiedliche Oxinitridverbindungen die Oberflächenstruktur bestimmen. Dies ermöglicht es, ii) den Aufenthaltsort von Lochladungsträgern auf diesen Oberflächen zu untersuchen um schliesslich iii) deren Rolle bei der Wasseroxidation zu ergründen. Ein letztes Ziel unserer Arbeit ist es, iv) den tendenziellen Einfluss der chemischen Zusammensetzung, der Kristallstruktur und externer mechanischer Verspannungen auf den Wirkungsgrad festzustellen, um damit allgemeine Richtlinien zur Entwicklung neuer Materialien und deren Optimierung zu schaffen. Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts Die theoretischen Arbeiten in diesem Projekt werden in enger Zusammenarbeit mit experimentellen Partnern durchgeführt, was den Transfers des erlangten Grundlagenwissens in die angewandte Wissenschaft und schlussendlich in die Industrie sicherstellt. Es resultieren innovative Materialen, welche aus Sonnenlicht und Wasser effizient Wasserstoffgas erzeugen. Letzteres gilt als vielversprechender Brennstoff zukünftiger Motoren, dessen umweltfreundliche Erzeugung eine Notwendigkeit für dieses alternative Antriebskonzept darstellt. Mit der absehbaren Knappheit fossiler Brennstoffe und deren schädlichen Effekt auf die Umwelt benötigt unsere Gesellschaft dringend erneuerbare und umweltneutrale Energieträger, um die allgemeine Mobilität und Gesundheit zukünftiger Generationen zu garantieren.

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Last update: 12.11.2015

Active participation

Self-organised

Communication	Title	Media	Place	Year

Number	Title	Start	Funding scheme

This project will establish, by means of first-principles theoretical calculations, the fundamental reaction mechanisms for photocatalytic H2 production by water splitting on perovskite oxynitride photo-electrode materials. Perovskite oxynitrides exhibits some of the highest H2 and O2 evolution rates and are promising candidates for the next generation of water-splitting photocatalysis. The superior photocatalytic activity of these materials relative to pure oxides has so far been explained in terms of differences in their bulk electronic structure. This project will for the first time investigate the surface physico-chemical differences between oxides and oxynitrides and their effect on water splitting. Starting from materials known to split water under light irradiation, we will study the effect of the chemical composition to derive general trends for the photocatalytic reactivity. Furthermore we will investigate the role of defects on the reactivity of such surfaces as well as the epitaxial-strain control of the electronic structure and the defect profile to model the situation occurring in thin films and heterostructures.The planned work is entirely new, as perovskite oxynitride surfaces have never been computationally investigated, even though these materials are amongst the most promising photocatalytic water splitters. Without the fundamental mechanistic knowledge that this project will generate, a targeted improvement of these materials towards higher H2 evolution is impossible.The planned collaboration with state-of-the-art experiment will be of mutual benefit for validation and interpretation of results and will ensure publications at the highest level. The proposed research integrates well with the strategic reorientation into energy-related research at the Department of Chemistry and Biochemistry of the University of Bern as well as on a national level with the recently established Competence Centers for Energy Research (SCCER) and the National Centre of Competence in Research (NCCR) for materials by design (MARVEL).