Grundlagen der photokatalytischen Wasserspaltung an TiO2-Oberflächen

Grundlagen der photokatalytischen Wasserspaltung an TiO2-Oberflächen

Seit Fujishima und Honda 1972 veröffentlichten, dass Wasserstoff durch photokatalytische Spaltung von Wasser auf einer Titandioxid-(TiO2)-Elektrode erzeugt werden kann, ist es einer der vielversprechendsten Energieträger. Die Energie der Sonne wird in chemischer Energie gespeichert. Seit 1972 wurde viel Forschung betrieben, um die Effizienz des Prozesses zu verbessern. Unser Forschungsschwerpunkt hier in Mainz liegt auf der Aufklärung des Mechanismus der Dissoziationsreaktion an der Grenzfläche auf molekularer Ebene.

Im ersten Teil des Projekts werden wir die Struktur und Ausrichtung des Wassers an der TiO2-Grenzfläche durch Anwendung der Summenfrequenzerzeugungs-Techniken bestimmen. Bei der Summenfrequenzerzeugung (SFG) werden zwei Laserpulse an der Grenzfläche kombiniert und die Summenfrequenz der beiden erfasst. Da es sich bei diesem Prozess um einen nichtlinearen optischen Prozess zweiter Ordnung handelt, ist er in Medien mit Zentrosymmetrie, wie beispielsweise Bulk-Wasser, verboten. An jeder Schnittstelle wird die Symmetrie gebrochen, was SFG zu einer oberflächenempfindlichen Technik macht. Wenn zusätzlich einer der beiden einfallenden Strahlen ein Infrarot-(IR)-Strahl in Resonanz mit einer Molekülschwingung ist, wird das SFG-Signal stark verstärkt. Durch die Abstimmung der IR-Frequenz kann man das Schwingungsspektrum der äußersten Monoschicht von Molekülen erfassen. Auf diese Weise können molekularspezifische Informationen über eine Grenzfläche oder über Spezies an einer Grenzfläche gewonnen werden; man kann direkt auf ein Grenzflächenmolekül schauen (Probe).

As the surface of titanium dioxide seems to be complex and not straightforward to characterize, it is necessary to understand the vibrational SFG response of water at such surfaces on a fundamental level. With silica and calcium fluoride, we are studying two mineral surfaces which serve as useful model systems and also provide scientific input for how to access physical surface properties such as surface potential, surface charge density and Debye screening length by using SFG. Additionally, we can deduce how water binds to such surfaces and its intermolecular structure differs from layers further away.

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