Heterogene Photokatalyse

Hauptseminar AC V

06. Mai 2014Gregor Schwab

Funktionsweise der Photokatalyse

● Absorption von Licht● durch Halbleiter● Erzeugung von● Elektronen-Loch-● Päärchen● Ladungstransport zur● Oberfläche● → RedOx-Reaktion● mit e--Donor/Akzeptor

Li, JF; An, XQ; Park, KH; Khraisheh, M; Tang, JW, A critical review of CO2 photoconversion: Catalysts and reactors, Catalysts Today, 224, 2014

Funktionsweise der Photokatalyse

• ELicht ≥ Eg

• Eg abhängig von

Halbleitermaterial → Band-Gap-Tuning• Lage von HOMO/LUMO zwischen VB/CB

-B. Ohtani, Photocatalysis A to Z-What we know and what we do not know in ascientific sense, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 11, 2010-Davide Ravelli, Daniele Dondi, Maurizio Fagnoni, Angelo Albini, Photocatalysis. A multi-faceted concept for green chemistry, Chem. Soc. Rev., 38, 2009

Anwendungsgebiete der heterogenen Photokatalyse

● Mineralisierung von Schadstoffen (Wasseraufbereitung)

● Wasserspaltung

● CO2-Konversion

CO2-Konversion

● Thermodynamisch (5) und (6) für Reduktion begünstigt

aber:

• Kinetisches Problem, da Mehrelektronenprozess

- Li, JF; An, XQ; Park, KH; Khraisheh, M; Tang, JW, A critical review of CO2 photoconversion: Catalysts and reactors, Catalysts Today, 224, 2014

- Kumar, B; Llorente, M; Froehlich, J; Dang, T; Sathrum, A; Kubiak, CP, Photochemical and Photoelectrochemical Reduction of CO2, Annual Review of Physical Chemistry, 63, 2012

Thermodynamische Aspekte

Wenqing Fan, Qinghong Zhang and Ye Wang, Semiconductor-based nanocomposites for photocatalytic H2 production and CO2 conversion,Phys. Chem. Chem. Phys.,15, 2013

● Gleichzeitige Reduktion● und Oxidation von● einem Photokatalysator● selten möglich

● Grund:● Oxidationspotential von● H2O oft größer als von● VB

● Lösung: Binäres System

Multikomponenten-Heterostruktur

● Z-Schema: Zwei Halbleiter, ein Mediator

● Ein Halbleiter für Oxidation, ein Halbleiter für Reduktion

● → Auswahl der Halbleiter erleichtert

Yongquan Qu; Xiangfeng Duan; Progress, challenge and perspective of heterogeneous Photocatalysts, Chem. Soc. Rev., 42, 2013

Kinetische Aspekte

1) Absorption ↔ Ladungstrennung

2) Ladungstransport ↔ Defekte

3) RedOx-Reaktion mit Spezies auf Oberfläche ↔ Überspannung

Metall/Halbleiter-Heterostruktur

● Beladen der● Halbleiteroberfläche mit● Metallen● Vorteile:● - Cokatalysator● → Verringerung der● Überspannung● → Erhöhung der● Effizienz und Selektivität

Ausblick● Große Bedeutung der heterogenen● Photokatalyse für die Zukunft:● - Handhabung des Treibhauseffekts● - Gewinnung von erneuerbaren Energieträgern

● Probleme:● - Großtechnischer Maßstab● - Effiziente Katalysatoren

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit