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US-German Workshops on Artificial Photosynthesis

APS Workshop Series Titelbild

Die künstliche Photosynthese (KPS) zur Erzeugung nützlicher Chemikalien unter ausschließlicher Verwendung von Luft und Sonnenlicht als Input ist sowohl Traum von Visionären als auch aktives Forschungsgebiet. Die KPS-Forschungsgemeinschaften in Deutschland und den Vereinigten Staaten haben viele sich überschneidende und ergänzende Interessen. Eine fruchtbare Zusammenarbeit zwischen ihnen wird dazu beitragen, den Fortschritt auf diesem Gebiet zu beschleunigen. Im Sommer 2020 untersuchte ein, vom BMFTR (damals BMBF) in Deutschland und dem DOE in den Vereinigten Staaten geförderter, Workshop Kooperationsmöglichkeiten und empfahl die Einrichtung einer fortlaufenden Veranstaltungsreihe, um neue Verbindungen zwischen den Wissenschafts- und Ingenieursgemeinschaften beider Länder zu fördern.

Diese Veranstaltungsreihe wurde anschließend vom deutschen CO2-WIN-Konsortium und einem deutsch-amerikanischen Lenkungsausschuss organisiert.

Kick-off des US-German Workshop Series on Artificial Photosynthesis

Der erste Workshop zum Thema künstliche Photosynthese hat den Rahmen für die kommenden Sitzungen vorgegeben. Zunächst wurden die Ergebnisse des ersten geschlossenen US-German Workshops, zusammengefasst. Im zweiten Teil haben Prof. Dr. Harry Atwater und Prof. Dr. Wolfram Jägermann ihre Ansichten zum aktuellen Stand der Technik und zum künftigen Bedarf im Bereich der künstlichen Photosynthese vorgestellt.

Agenda

Welcome and introduction of the goals of the workshop series
Dr. Frances Houle (Lawrence Berkeley National Laboratory, US)
Prof. Dr. Thomas Hannappel (TU Ilmenau, DE)

(Präsentation downloaden)

Artificial photosynthesis - state of the art from the US and German perspective
Prof. Dr. Harry Atwater (Caltech, US)
Prof. Dr. Wolfram Jägermann (TU Darmstadt, DE)

(Präsentation downloaden)

Diskussion

Lichtenergie-Wandler für künstliche Blätter

Der Workshop befasste sich mit verschiedenen Absorberstrukturen und den damit verbundenen Prozessen, Perspektiven und Einschränkungen für die optimierte Bildung der elektrochemischen Potentialdifferenz von Elektronen und Löchern bei maximiertem Photostrom und vergleicht diese miteinander.

Chairs

Prof. Shane Ardo (University of California, Irvine, US) and Prof. Wolfram Jägermann (TU Darmstadt, DE)

Agenda

Photochemical systems for artificial leafs

Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Matthias Beller (Leibniz-Institut für Katalyse e.V. - LIKAT, DE) (Präsentation downloaden)

Epitaxially grown photo absorbers for efficient solar fuels production 

Prof. Dr. Thomas Hannappel (TU Ilmenau, DE) (Präsentation downloaden)

Redox reactions at semiconductor/solution interfaces: proton-coupled electron transfer?
Prof. Dr. James Mayer (Yale University | Center for Hybrid Approaches in Solar Energy to Liquid Fuels - CHASE, USA)

(Präsentation downloaden)

Photocathode design for CO2 reduction: fundamental challenges and paths forward

Prof. Dr. Joel Ager (University of California Berkeley | Lawrence Berkeley National Laboratory - LBNL, USA)

Diskussion

Bio-basierte, bio-inspirierte & bio-hybride Systeme

Chairs

Prof. Matthias Beller (Leibniz-Institut für Katalyse e.V. - LIKAT, DE) and Prof. Gary Brudvig (Yale University, US)

Agenda / Format

Interaktive Panel Discussion mit
  • Prof. Kara L. Bren - Professor of Chemistry at the University of Rochester
  • Dr. David M. Tiede - Group Leader & Argonne Distinguished Fellow at Argonne National Laboratory (ANL)
  • Prof. Tobias Erb - Director of Department Biochemistry and Synthetic Metabolism at Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology
  • Prof. Andreas Schmid - Head of Department of Solar Materials at the Helmholtz Centre for Environmental Research (UFZ)

Anorganische Elektrokatalysatoren

Chairs

Prof. Daniel Esposito (Columbia University, US) and Prof. Ian Sharp (Technical University of Munich, DE)

Agenda / Format

Interactike Panel Discussion mit
  • Prof. Thomas Jaramillo - Professor of Engineering at the Department of Chemical Engineering at Stanford University, Professor at SLAC National Accelerator Laboratory & Director of SUNCAT Center for interface Science and Catalysis
  • Prof. Beatriz Roldán Cuenya - Director of Interface Science Department at the Fritz-Haber-Institute of the Max-Planck-Society
  • Prof. Holger Dau - Professor of Biophysics and Photosynthesis at the Freie Universität Berlin
  • Prof. Aleksandra Vojvodic - Professor of Chemical and Biomolecular Engineering at the University of Pennsylvania

Fortgeschrittene Charakterisierungstechniken, Instrumentierung und Benutzereinrichtungen

Chairs

Prof. Lin X. Chen (Northwestern University | Argonne National Laboratory) and Prof. Beatriz Roldán Cuenya (Fritz-Haber-Institute of the Max Planck Society)

Agenda

Getting Inspiration from Natural Photosynthesis

Dr. Junko Yano (Senior Scientist and Devision Deputy for Science at Lawrence Berkeley National Laboratory - LBNL | Joint Center for Artificial Photosynthesis - JCAP, USA)

Operando Photoemission from Electrified Interfaces

Prof. Dr. Robert Schlögl (Founding Director of Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion | Director of Fritz-Haber-Institute of the Max Planck Society, DE)

Interaktive Panel Diskussion mit den Vortragenden

Verbindung von Theorie und Experiment in der künstlichen Photosynthese

Chairs

Prof. Dr. Stefanie Gräfe (University of Jena) and Dr. Frances Houle (Lawrence Berkeley National Laboratory)

Agenda / Format

Interaktive Panel Discussion mit
  • Prof. Dr. Ulrike Kramm (Professor of Inorganic Chemistry at the Technical University Darmstadt)
  • Prof. Dr. Vera Krewald (Professor of Theoretical Chemistry at the Technical University Darmstadt)
  • Prof. Dr. Kyoung-Shin Choi (Professor of Chemistry at the University of Wisconsin-Madison)
  • Prof. Dr. Giulia Galli (Liew Family Professor of Electronic Structure and Simulations in the Pritzker School of Molecular Engineering | Professor of Chemistry at the University of Chicago | Argonne National Laboratory)

Winter Poster Session 2021 zu künstlicher Photosynthese

Die Poster Session wurde in gather.town durchgeführt. Hier finden Sie einen Überblick über die eingereichten Poster.

Chairs

Prof. Jillian Dempsey (University of North Carolina) and Dr. Agnieszka Paszuk (Technical University of Ilmenau)

Interface-Engineering von Halbleitern für photoelektrochemische Zellen

Grundlagenkenntnisse können zu Verbesserungen beitragen, die für die Kopplung hochselektiver und aktiver Katalysatoren an Lichtsammlerelemente, das Verständnis der kritischen (Fest-Flüssig-)Grenzfläche und die Stabilisierung integrierter Photoabsorber-Katalysator-Systeme erforderlich sind. Dieser Workshop konzentriert sich auf das Interface-Engineering von Halbleiterbauelementstrukturen für photoelektrochemische Zellen.

Chairs:

Prof. Shane Ardo (University of California, Irvine, US) and Prof. Wolfram Jägermann (TU Darmstadt, DE)

Vortragende:

  • Prof. Gerald Meyer, University of North Carolina Chapel Hill, CHASE Liquid Solar Fuels Hub, Director of Hub
  • Prof. Dr. Roel van de Krol, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institute for Solar Fuels, Head of Institute
  • Dr. Matthias May, Universität Ulm and Universität Tübingen, Emmy-Noether group SPECSY   

Ladungsträgerdynamik in der künstlichen Photosynthese

Ein tieferes Verständnis der Ladungsträgerdynamik in der künstlichen Photosynthese muss die Wechselwirkungen aller Ladungsträger berücksichtigen – im Photoabsorber, an den Grenzflächen, im Elektrolyten, einschließlich Katalysatoren und der kritischen Fest-Flüssig-Grenzfläche. Dieser Workshop befasst sich mit Aspekten verschiedener Prozesse und Zeitskalen, die für die künstliche Photosynthese relevant sind. 

Chairs:

Prof. Lin X. Chen (Northwestern University | Argonne National Laboratory) and Prof. Thomas Hannappel (TU Ilmenau)

Vortragende:

  • Dr. Matthew Beard, National Renewable Energy Laboratory (NREL)
  • Prof. Tanja Cuk, University of Colorado Boulder
  • Dr. Thomas Unold, Helmholtz-Center Berlin (HZB)
  • Prof. Wolf Gero Schmidt, University Paderborn

Mechanistische Aspekte der Photokatalyse

Um das Ziel einer effizienten Nutzung des Sonnenspektrums für die künstliche Photosynthese zu erreichen, ist ein detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden mechanistischen Schritte erforderlich. Ein solches Verständnis ermöglicht es, aktivitätsbegrenzende Schritte zu identifizieren und zu beseitigen, sowie verbesserte Katalysatoren und katalytische Bedingungen gezielt zu entwickeln. In diesem Workshop werden die Synergien zwischen Synthese, Spektroskopie und Theorie bei der Identifizierung wichtiger mechanistischer Schritte in der künstlichen Photosynthese hervorgehoben.

Chairs:

Prof. Dr. Stefanie Gräfe, Jena University & Dr. Frances Houle, Lawrence Berkeley National Laboratory

Vortragende:

  • Prof. Dr. Axel Groß, Universität Ulm
  • Prof. Dr. Victor Batista, Yale University
  • Prof. Dr. Ksenija Glusac, University of Illinois
  • Prof. Dr. Gary Brudvig, Yale University
  • Prof. Dr. Carsten Streb, Universität Ulm

Integrierte Systeme zur Erzeugung von Solar-Brennstoff: Von Partikeln bis zu Solarzellen

Zu den Themen, die in den Vorträgen und der Podiumsdiskussion behandelt werden, gehören (i) der Stand der integrierten Geräte zur Erzeugung von solaren Brennstoffen, (ii) die wichtigsten Herausforderungen oder Engpässe, die derzeit die Umsetzung der derzeit führenden Gerätekonzepte in groß angelegte Pilot- und kommerzielle Demonstrationsprojekte einschränken, (iii) der wichtigste Forschungsbedarf im Bereich der Materialien, der für die Überwindung von Engpässen auf Geräte-/Anlagenebene am nützlichsten wäre, und (iv) die Notwendigkeit kontinuierlicher Innovationen auf Geräteebene. 

Chairs:

Verena Streibel, TU München & Daniel Esposito, Columbia University

Vortragende:

  • Rohini Bala Chandran, University of Michigan
  • Fatwa Firdaus Abdi, Institut for Solar Fuels at Helmholtz-Zentrum Berlin
  • Peter Agbo, Lawrence Berkeley National Laboratory

Hochdurchsatz-Experimente und Berechnungen

Effiziente und selektive künstliche Photosynthese ist im Kern eine Herausforderung für die Materialwissenschaft, und die Identifizierung neuer Materialien mit verbesserten Eigenschaften ist für Fortschritte auf diesem Gebiet von entscheidender Bedeutung. In diesem Workshop werden experimentelle und theoretische Programme zur beschleunigten Entdeckung von Materialien in den USA und in Deutschland vorgestellt und Fortschritte und Chancen diskutiert.

Vortragende:

  • Dr. John Gregoire, Caltech
  • Prof. Alfred Ludwig, Ruhr Universität Bochum
  • Prof. Harald Oberhofer, Universität Bayreuth
  • Dr. Kristin Persson, Lawrence Berkeley National Laboretory    

Poster-Session für Nachwuchswissenschaftler

Wir blicken zurück auf die Präsentation und Diskussion von 40 großartigen Postern. Die Poster Session wurde in gather.town durchgeführt. Hier finden Sie einen Überblick über die eingereichten Poster.

Multiskalenmodellierung zur Verbindung der Nanoskala mit der Makroskala

Chairs

Prof. Amanda J. Morris (Virginia Tech) and Dr. Sonya Calnan (Helmholtz Zentrum Berlin)

Agenda

Artificial Photosynthetic Systems: Modeling the Connections between the Molecular and the Macroscopic Scales

Dr. Frances Houle (Lawrence Berkeley National Laboratory - LBNL, USA)

Exploring Transport Effects on Electrocatalytic Selectivity

Dr. Vanessa Jane Bukas (Fritz-Haber-Institute of the Max Planck Society, DE)

Multi-Physics Modelings of Materials, Components and Systems for Electrochemical CO2 Capture and Conversion

Prof. Chengxiang (CX) Xiang (California Institute of Technology, USA)

Growth Regimes of Hydrogen Bubbles in Water Electrolysis: Phenomena and Underlying Forces

Prof. Kerstin Eckert (TU Dresden | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf - HZDR, DE)

Diskussion

Polymer-basierte Lichtabsorber und -leiter

Chairs

Dr. Frances Houle (Lawrence Berkeley National Laboratory - LBNL, USA) and Prof. Roel van de Krol (Helmholtz-Zentrum Berlin)

Agenda

Redox-neutral Photocatalysis – Towards ideal chemical transformations

Prof. Burkhard König (Universität Regensburg, DE)

Photo(electro)catalysis with polymeric carbon nitrides

Prof. Radim Beránek (Ulm University, DE)

Soft PhotoElectroChemical Systems for Solar Fuels 

Prof. Erin Ratcliff (University of Arizona, USA)

Electronic dopants and surface modifiers for electronic and opto-electronics 

Prof. Seth Marder (University of Colorado Boulder, USA)

Diskussion

Stickstoffumwandlung

Chairs

Prof. Gary Brudvig (Yale University, USA) and Prof. Thomas Hannappel (TU Ilmenau, DE)

Agenda

Light-induced nitrogen reduction to ammonia with nanostructured semiconductors

Prof. Roland Marschall (Universität Bayreuth, DE)

Photocatalyst development for light-driven nitrogen activation via reductive or oxidative pathways

Prof. Jennifer Strunk (Leibniz-Institut für Katalyse e. V. - LIKAT, DE)

Enzymatic N2 reduction driven by photoexcited nanocrystals

Prof. Gordana Dukovic (University of Colorado Boulder, USA)

Artificial Photosynthesis with Nitrogen at the Cathode? Lessons in (Photo)Electrocatalysis via Molecular Inorganic Systems

Prof. Jonas Peters (California Institute of Technology - Caltech, USA)

Diskussion

Poster-Session für Nachwuchswissenschaftler

Wir blicken zurück auf eine weitere Runde von spannenden Posterpräsentationen und fruchtbaren Diskussionen. Hier finden Sie einen Überblick über die eingereichten Poster.

Mit diesem Workshop wurde die Workshop-Serie beendet.