Das Projekt "First-principles kinetic modeling for solar hydrogen production" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Fakultät für Chemie, Lehrstuhl für Theoretische Chemie durchgeführt. The development of sustainable and efficient energy conversion processes at interfaces is at the center of the rapidly growing field of basic energy science. How successful this challenge can be addressed will ultimately depend on the acquired degree of molecular-level understanding. In this respect, the severe knowledge gap in electro- or photocatalytic conversions compared to corresponding thermal processes in heterogeneous catalysis is staggering. This discrepancy is most blatant in the present status of predictive-quality, viz. first-principles based modelling in the two fields, which largely owes to multifactorial methodological issues connected with the treatment of the electrochemical environment and the description of the surface redox chemistry driven by the photo-excited charges or external potentials.Successfully tackling these complexities will advance modelling methodology in (photo)electrocatalysis to a similar level as already established in heterogeneous catalysis, with an impact that likely even supersedes the one seen there in the last decade. A corresponding method development is the core objective of the present proposal, with particular emphasis on numerically efficient approaches that will ultimately allow to reach comprehensive microkinetic formulations. Synergistically combining the methodological expertise of the two participating groups we specifically aim to implement and advance implicit and mixed implicit/explicit solvation models, as well as QM/MM approaches to describe energy-related processes at solid-liquid interfaces. With the clear objective to develop general-purpose methodology we will illustrate their use with applications to hydrogen generation through water splitting. Disentangling the electro- resp. photocatalytic effect with respect to the corresponding dark reaction, this concerns both the hydrogen evolution reaction at metal electrodes like Pt and direct water splitting at oxide photocatalysts like TiO2. Through this we expect to arrive at a detailed mechanistic understanding that will culminate in the formulation of comprehensive microkinetic models of the light- or potential-driven redox process. Evaluating these models with kinetic Monte Carlo simulations will unambiguously identify the rate-determining and overpotential-creating steps and therewith provide the basis for a rational optimization of the overall process. As such our study will provide a key example of how systematic method development in computational approaches to basic energy sciences leads to breakthrough progress and serves both fundamental understanding and cutting-edge application.
Das Projekt "Ab initio-Ansatz zu in situ-Untersuchungen von Modellkatalysatoren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität München, Fakultät für Chemie, Lehrstuhl für Theoretische Chemie durchgeführt. Die Zielsetzung von in situ-Messungen an wohldefinierten Einkristall-Modellkatalysatoren ist der Transfer des innerhalb des Ultrahochvakuum-Surface Science-Ansatzes etablierten, rigorosen und atomaren Verständnisses hin zu technologisch relevanten atmosphärischen Drücken. In entsprechenden Strömen und dabei typischerweise weit höheren Umsätzen werden Wärme- und Massentransportlimitierungen im Gas-Oberfläche-System immer wichtiger. Solche Flusseffekte in den komplexen in situ-Reaktorkammern gilt es sorgfältig zu analysieren, zu kontrollieren und idealerweise zu separieren, um das angestrebte molekulare Verständnis der aufgelösten Reaktionschemie an der Oberfläche zu ermöglichen. In diesem Projekt sollen diese Anstrengungen von theoretischer Seite durch Entwicklung eines ab initio-basierten Multiskalenmodellierungsansatzes ergänzt werden, der von den oberflächenkatalytischen Elementarprozessen bis zu den makroskopischen Flussprofilen reicht. Durch Integration von mikrokinetischen ab initio kinetische Monte Carlo (1pkMC) Formulierungen in das OpenFoam/CatalyticFoam Computational Fluid Dynamics Programmpaket wollen wir speziell frei verfügbare und allgemein einsetzbare Methodik aufbauen, die explizit die Reaktions-Transport-Kopplung in vollaufgelösten in situ-Reaktorkammern beschreibt. Auf der Seite der Materiallücke wird der Ansatz von Einkristalloberflächen zu Modellkatalysatoren erweitert, in denen Nanopartikel auf einem planaren Träger aufgebracht sind. Für beide Entwicklungsrichtungen erwarten wir noch stärkere und komplexere Transportlimitierungen als bereits von uns in vorherigen Arbeiten für idealisierte Flussgeometrien gezeigt. Die konzeptionelle Diskussion und Entwicklung wird hierbei bereits stark dazu beitragen, die Lücke zwischen physikochemischer und verfahrenstechnischer Forschung in der heterogenen Katalyse weiter zu schließen. Darüber hinaus wird die entwickelte 1pkMC-Fluss-Technologie eingesetzt, um quantitativ in situ Röntgen-Photoelektronenspektroskopie-Daten für die CO-Oxidation an Pd(100) zu modellieren.