Elektrokatalyse / Photokatalyse

Photokatalyse, Elektrokatalyse und die Kombination aus beidem, die Photoelektrokatalyse, sind katalytische Prozesse von grundlegender Bedeutung, um die großen Herausforderungen in der erneuerbaren Energieumwandlung und -speicherung anzugehen. Die Kombination von heterogener und homogener Katalyse mit zusätzlichen photo- und/oder elektrochemischen Parametern und Größen, wie Wellenlänge, Strom und Potential, stellen zweifellos die komplexesten katalytischen Grenzflächen-Ladungstransferprozesse dar.

In der Photokatalyse ist die Erzeugung, Wanderung und Beteiligung von „freien“ Ladungsträger (Elektronen und Löcher) an der Grenzfläche mit der einhergehenden katalytischen Umwandlung chemischer Bindungen („Knüpfen und Brechen“) verknüpft. Durch Absorption von Photonen einer definierten Wellenlänge wird ein Elektronen-Loch-Paar in einem Halbleiter generiert, welches zur katalytischen Spaltung zum Beispiel von Wasser genutzt werden kann. Während in der Elektrokatalyse die katalytische Umwandlung an und über der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche stattfindet, in denen „freie“ Ladungsträger zu/von stärker lokalisierten elektronischen Zuständen (chemische Bindungen) tunneln. Diese elektrische Grenzfläche ist entscheidend für elektrochemische Energiesysteme, wie z.B. Brennstoffzellen, Elektrolyseure sowie für die elektrochemische Erzeugung von Chemikalien und Metallen. Grundlegend untersucht die Elektrokatalyse die Adsorptionseigenschaften von Elektrodenmaterialien (Struktur, Zusammensetzung) in Verbindung mit der Kinetik und Reaktionsmechanismus einer elektrochemischen Reaktion. Auch die Photoelektrokatalyse gewinnt immer mehr an Bedeutung als ein wichtiges Schlüsselgebiet der Wissenschaft und Technologie, um die Realisierung und die Integration von erneuerbaren Solarenergiesystemen effizient und nachhaltig zu realisieren.