Es klingt wie Zauberei: Fotoelektroden könnten das Treibhausgas CO2 wieder in Methanol oder N2-Moleküle in wertvollen Dünger umwandeln – und das allein mit der Energie des Sonnenlichts.
Eine HZB-Studie hat nun gezeigt, dass Diamantmaterialien grundsätzlich für solche Fotoelektroden geeignet sind. Durch die Kombination von röntgenspektroskopischen Techniken an BESSY II mit anderen Messmethoden ist es dem Team um Tristan Petit erstmals gelungen, genau zu verfolgen, welche Prozesse durch Licht angeregt werden und welche entscheidende Rolle die Oberfläche der Diamantmaterialien spielt.
Auf den ersten Blick haben im Labor gezüchtete Diamantmaterialien wenig mit ihren Namensgebern im Juweliergeschäft gemein. Sie sind oft undurchsichtig, dunkel und sehen überhaupt nicht spektakulär aus. Doch auch wenn ihr Aussehen unscheinbar ist, sind sie für viele verschiedene Anwendungen vielversprechend, beispielsweise in Gehirnimplantaten, Quantensensoren und Computern sowie als metallfreie Photoelektrode in der photoelektrochemischen Energieumwandlung.
Sie sind vollständig nachhaltig und bestehen nur aus Kohlenstoff, sie zersetzen sich im Vergleich zu Fotoelektroden auf Metallbasis nur wenig mit der Zeit und können industriell hergestellt werden!
Diamantmaterialien eignen sich als metallfreie Photoelektroden, da sie bei Anregung durch Licht Elektronen in Wasser freisetzen und chemische Reaktionen auslösen können, die sonst nur schwer auszulösen sind. Ein konkretes Beispiel ist die Reduktion von CO2 zu Methanol, wodurch das Treibhausgas in einen wertvollen Kraftstoff umgewandelt wird. Spannend wäre auch die Verwendung von Diamantmaterialien zur Umwandlung von N2 in Stickstoffdünger NH3, wobei viel weniger Energie verbraucht wird als beim Haber-Bosch-Verfahren.
Allerdings oxidieren Diamantelektroden im Wasser und oxidierte Oberflächen, so wurde angenommen, geben keine Elektronen mehr an das Wasser ab. Darüber hinaus liegt die Bandlücke von Diamant im UV-Bereich (bei 5,5 eV), sodass sichtbares Licht wahrscheinlich nicht ausreicht, um Elektronen anzuregen. Trotz dieser Erwartung haben frühere Studien eine rätselhafte Emission von Elektronen durch Anregung mit sichtbarem Licht gezeigt. Eine neue Studie der Gruppe von Dr. Tristan Petit am HZB bringt nun neue Erkenntnisse und gibt Anlass zur Hoffnung.
Dr. Arsène Chemin, Postdoktorand in Petits Team, untersuchte Proben von Diamantmaterialien, die am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg hergestellt wurden. Die Proben wurden so konstruiert, dass sie die CO2-Reduktionsreaktion erleichtern: Sie sind mit Bor dotiert, um eine gute elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten, und nanostrukturiert, was ihnen große Oberflächen verleiht, um die Emission von Ladungsträgern wie Elektronen zu erhöhen.
Chemin nutzte an BESSY II vier röntgenspektroskopische Methoden, um die Oberfläche der Probe und die Energie zu charakterisieren, die zur Anregung spezifischer elektronischer Oberflächenzustände erforderlich ist. Anschließend ermittelte er mithilfe der in einem Speziallabor am HZB gemessenen Oberflächenphotospannung, welche dieser Zustände angeregt werden und wie sich die Ladungsträger in den Proben verschieben. Ergänzend dazu maß er die Photoemission von Elektronen von Proben entweder in Luft oder in Flüssigkeiten.
Durch die Kombination dieser Ergebnisse gelang es ihm erstmals, ein umfassendes Bild der Prozesse zu zeichnen, die nach Anregung mit Licht auf den Oberflächen der Probe ablaufen.
„Überraschenderweise fanden wir fast keinen Unterschied in der Photoemission von Ladungen in Flüssigkeiten, unabhängig davon, ob die Proben oxidiert waren oder nicht“, sagt Chemin. Dies zeigt, dass Diamantmaterialien gut für den Einsatz in wässrigen Lösungen geeignet sind. Auch eine Anregung mit sichtbarem Licht ist möglich: Bei den Bor-dotierten Proben reicht violettes Licht (3,5 eV) aus, um die Elektronen anzuregen.
„Diese Ergebnisse geben großen Anlass zu Optimismus“, sagt Chemin: „Mit Diamantmaterialien haben wir eine neue Klasse von Materialien, die erforscht und in großem Umfang eingesetzt werden können.“ Darüber hinaus ist auch die Methodik dieser Studie interessant: Die Kombination dieser verschiedenen spektroskopischen Methoden könnte auch zu neuen Durchbrüchen bei anderen photoaktiven Halbleitermaterialien führen, betont der Physiker.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Kleine Methoden.
Mehr Informationen:
Arsène Chemin et al., Oberflächenvermittelter Ladungstransfer photogenerierter Träger in Diamant, Kleine Methoden (2023). DOI: 10.1002/smtd.202300423