Erforschung von Nanodiamanten, die mit Sonnenlicht als Photokatalysatoren aktiviert werden können

Nanodiamant-Materialien haben ein großes Potenzial als Katalysatoren. Preisgünstige Nanopartikel aus Kohlenstoff bieten im Verhältnis zu ihrem Volumen sehr große Oberflächen. Um jedoch chemische Reaktionen in einem wässrigen Medium katalytisch zu beschleunigen, müssen Elektronen aus dem Katalysator in Solvatation gehen, und in reinen Diamantmaterialien erfordert dies energiereiches UV-Licht zur Anregung. Andererseits ermöglichen die extrem geringen Größen der Nanopartikel neue molekulare Zustände auf den Oberflächen von Nanodiamanten, die auch sichtbares Licht absorbieren.

Im Rahmen des DIACAT-Projekts hat ein Team am HZB nun verschiedene Varianten von Nanodiamant-Materialien während der Anregung mit Licht untersucht und die Prozesse mit extrem hoher Zeitauflösung analysiert. Nanodiamantproben mit unterschiedlicher Oberflächenchemie wurden von der Gruppe von Dr. Jean-Charles Arnault, CEA, Frankreich, und Prof. Anke Krueger, jetzt an der Universität Stuttgart, hergestellt. Die Nanopartikel unterschieden sich in ihrer Oberfläche, die unterschiedlich viele Wasserstoff- oder Sauerstoffatome enthielt.

„Der Wasserstoff auf den Oberflächen erleichtert die Elektronenemission erheblich“, erklärt Dr. Tristan Petit, Nanodiamant-Experte am HZB. „Unter den vielen Varianten haben wir herausgefunden, dass eine bestimmte Kombination aus Wasserstoff sowie Fulleren-ähnlichem Kohlenstoff auf den Oberflächen der Nanopartikel ideal ist“, sagt er.

Im Laserlab des HZB untersuchten sie wässrige Nanodiamant-Dispersionen mit unterschiedlichen Oberflächenterminierungen wie Wasserstoff, -OH oder -COOH, nachdem sie diese mit ultraschnellen Laserpulsen angeregt hatten. „Wir konnten experimentell genau messen, wie sich das Absorptionsprofil bei unterschiedlichen Anregungswellenlängen im UV-Bereich bei 225 nm und bei blauem Licht im sichtbaren Bereich bei 400 nm verhält“, erklärt Dr. Christoph Merschjann, HZB.

„Wir wollten herausfinden, was in den ersten entscheidenden Pikosekunden nach der Anregung mit Licht passiert, denn das ist der Zeitpunkt, an dem ein Elektron die Oberfläche verlässt und ins Wasser geht“, sagt Merschjann. Das Theorieteam um Dr. Annika Bande steuerte eine Modellierung mit Dichtefunktionaltheorie bei, um die Spektren zu interpretieren. Die Daten zeigten, wie erwartet, dass UV-Licht in allen Proben Elektronen in Lösung bringt, aber bei den Proben, die Fulleren-ähnlichen Kohlenstoff auf ihren Oberflächen aufwiesen, wurde dies auch mit sichtbarem Licht erreicht.

„In dieser Arbeit zeigen wir nach unserem besten Wissen zum ersten Mal, dass die Emission von solvatisierten Elektronen aus Nanodiamanten in Wasser mit sichtbarem Licht möglich ist“, sagt Petit.

Dies ist ein entscheidender Schritt, um Nanodiamant-Materialien als Photokatalysatoren zu erschließen. Diese kostengünstigen und metallfreien Materialien könnten ein Schlüssel sein, um CO2 in Zukunft mit Sonnenlicht zu wertvollen Kohlenwasserstoffen weiterzuverarbeiten oder sogar N2 in Ammoniak umzuwandeln.

Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Nanomaßstab.