Photoelektrochemische Untersuchungen von anodischen und kathodischen Prozessen in Perowskit-Einkristallen und TiO2-Elektroden

Abstract

Durch die zunehmende Verschmutzung von natürlichen Wasserquellen und den gleichzeitig ansteigenden Wasserbedarf sind effiziente Methoden zur Wasseraufbereitung erforderlich. Der Bereich der Photokatalyse besitzt ein großes Potential, um für die Aufreinigung von Wässern mit Hilfe von Sonnenlicht eingesetzt zu werden. Damit dieses in einem großen technischen Maßstab möglich ist, müssen die Photokatalysatoren bestimmte Kriterien erfüllen und optimiert werden. Unter anderem sollte die eingesetzte Katalysatormenge so gering wie möglich sein, um die Kosten für den Aufbau einer Anlage zu minimieren, während gleichermaßen der Anteil des absorbierten Sonnenlichts so groß wie möglich sein sollte. Bei einer zusätzlichen Abscheidung des Photokatalysators auf leitfähigen Substraten ist neben dem Schadstoffabbau ebenfalls die Generierung eines Stroms möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Auswirkungen des Modifizierens auf die Aktivität von Photokatalysatoren untersucht. Dabei wurde die Filmdicke von siebgedruckten TiO2-Elektroden über eine Schichtenanzahl zwischen eins und vier variiert, um deren Effizienz zu optimieren, und zusätzlich wurde die Dotierung von MAPbBr3-Einkristallen mit Ag+-Kationen betrachtet. Durch die Variation der Filmdicke zeigten sich Absorptionsunterschiede im Wellenlängenbereich zwischen ca. 360 und 400 nm, während kein signifikanter Einfluss auf die Größe der Bandlücke und die Bandpositionen beobachtet wurde. Mit Methanol als Modellsubstanz konnte bei monochromatischer Bestrahlung eine Wellenlängenabhängigkeit der photoelektrochemischen Aktivität festgestellt werden, die durch unterschiedliche Absorptionskoeffizienten der jeweiligen Wellenlängen verursacht wird. Durch ein geringeres Potential wurden höhere Effizienzen erzielt, die auf eine geringere Anzahl und Tiefe von Traps für photogenerierte Elektronen im Vergleich zu einem anodischeren Potential zurückgeführt wurden. Bei polychromatischer Bestrahlung mit einem Solarsimulator stellte sich die Elektrode mit zwei Schichten (4,89 ± 0,25 μm) als optimal heraus, da eine weitere Erhöhung der Filmdicke keine weitere Steigerung des Photostroms zur Folge hatte. Für die Synthese von MAPbBr3-Einkristallen, die in der Lage sind sichtbares Licht zu absorbieren, wurden verschiedene Ansätze miteinander verglichen und der Ansatz, der die Einkristalle mit der höchsten Qualität lieferte, wurde ebenfalls für das Dotieren mit Ag+-Kationen verwendet. Dieses führte zur Bildung von Br--Leerstellen, wie es basierend auf Computermodellierungen zu erwarten war. Für die dotierten Einkristalle lag eine geringere Photolumineszenz-Lebensdauer vor, während zugleich die photokatalytische Aktivität bei der Cyclohexanoxidation im Vergleich zum undotierten Einkristall verringert wurde. Sowohl der negative Effekt auf die Photolumineszenz-Lebensdauer als auch die verringerte photokatalytische Aktivität wurde auf die Anwesenheit von Rekombinationszentren als Folge der Dotierung zurückgeführt.