Um Mikroschadstoffe wie Pestizide und Spurenstoffe aus der Umwelt zu entfernen, braucht man etwas ebenso Kleines wie Raffiniertes. Eine mögliche Methode ist die Photokatalyse, bei der halbleitende Nanomaterialien mit Sonnenlichtenergie giftige Chemikalien an der Oberfläche des Materials adsorbieren und abbauen.
Ein Team der Cornell University hat eine neue Form der hochauflösenden optischen Bildgebung eingesetzt, um besser zu verstehen, wie die Adsorption – also das Anhaften von Molekülen an Oberflächen – bei dem Halbleiter Titandioxid (TiO2) mit einem als Co-Katalysator hinzugefügten Goldpartikel funktioniert.
Sie fanden heraus, dass das Gold die Adsorption über einen überraschend großen Bereich der Halbleiteroberfläche verbessert – mehr als einen Mikrometer von der Quelle entfernt. Die Entdeckung könnte die Effizienz der Photokatalyse zur Beseitigung von Mikroverunreinigungen im Abwasser erhöhen.
Die Ergebnisse waren veröffentlicht 19. Juli in Naturkatalyse. Der Hauptautor des Artikels ist der ehemalige Postdoktorand an der Cornell University, Ming Zhao, der jetzt an der National University of Singapore forscht. Das Projekt wurde von Peng Chen geleitet, dem Peter JW Debye Professor für Chemie am College of Arts and Sciences und dem Erstautor des Artikels.
Die Anreicherung von Titandioxid mit Gold ist eine recht gängige Form der Photokatalyse, weshalb sich Chens Team für diese Kombination entschied. Sie wollten mit gut etablierten Modellsystemen arbeiten. Eine entscheidende Entwicklung war die neue Bildgebungsmethode: adCOMPEITS, kurz für Adsorption-based COMPetition Enabled Imaging Technique with Super-resolution, die auf einem früheren Verfahren aufbaut, das das Labor entwickelt hatte.
Bei adCOMPEITS adsorbiert ein fluoreszierendes Sondenmolekül auf einer Partikeloberfläche und seine Fluoreszenz wird abgebildet. Ein nicht fluoreszierendes Mikroschadstoffmolekül wird dann zur Bindung an die Oberfläche geschickt, wo es mit der fluoreszierenden Sonde um die Adsorption konkurriert. Die daraus resultierende Abnahme der Sondenadsorption – im Wesentlichen entsteht ein Negativbild – kann dann mit extrem hoher Auflösung gemessen und abgebildet werden.
Das Team verwendete die Methode, um die Adsorption von zwei repräsentativen Mikroschadstoffen, dem Pestizid Pirimiphosmethyl und dem Weichmacher Diethylphthalat, unter verschiedenen Reaktions- und Nichtreaktionsbedingungen zu quantifizieren.
„Wir haben die Adsorption auf der Oberfläche dieses TiO2-Nanostabs an verschiedenen Stellen gemessen, insbesondere an der Stelle, an der sich das Goldpartikel befindet, und auch an Stellen, die sehr weit vom Goldpartikel entfernt sind“, sagte Chen. „Das Goldnanopartikel ist nur 100 Nanometer groß. Wir haben festgestellt, dass es die Adsorption Mikrometer weiter von der Stelle entfernt verstärkt, an der sich das Partikel befindet. Das ist etwa 10 Mal weiter weg.“
Der Grund für diese größere Reichweite liegt darin, dass das Goldpartikel die elektronischen Eigenschaften auf der TiO2-Oberfläche verändert, ein Phänomen, das als Oberflächenbandbiegung bezeichnet wird und das Chens Labor zuvor bei dreidimensionalen Halbleiterpartikeln mit zweidimensionalen Eigenschaften untersucht hat.
„Es stellte sich heraus, dass die Bandbiegung die Bänder nicht nur dort biegt, wo sie ist, sondern dass die Bandbiegung entlang der Oberfläche eines TiO2 erfolgt“, sagte Chen. „Diese Bandbiegung hat ein exponentielles Zerfallsprofil, das Mikrometer weit reicht und zu dieser Adsorptionsverstärkung über große Entfernungen führte.“
Die Entdeckung zeigt einen besonderen Vorteil der Verwendung von Metallnanopartikeln wie Gold als Cokatalysatoren: Es genügt schon eine kleine Menge, um die Adsorption auf dem Halbleiter zu verbessern. Dies könnte letztlich dazu beitragen, eine der Herausforderungen der Photokatalyse zu lösen, die bei der Umwandlung von Sonnenenergie in eine chemische Reaktion oft eine geringe Umwandlungseffizienz aufweist. Über photokatalytische Anwendungen hinaus könnte es auch für Prozesse wie Sensorik und farbstoffsensibilisierte Solarzellen eingesetzt werden.
„Diese langfristige Verbesserung sollte breit anwendbar sein“, sagte Chen. „Wenn man dies erweitert, kann man darüber nachdenken, viele Arten von Halbleitern durch die Verwendung vieler Arten von Co-Katalysatoren mit unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften zu verbessern.“
Mehr Informationen:
Ming Zhao et al., Langstreckenverbesserungen der Adsorption von Mikroschadstoffen auf metallgestützten Photokatalysatoren, Naturkatalyse (2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01199-0