Um chemische Reaktionen in einem wässrigen Medium katalytisch zu beschleunigen, müssen zunächst Elektronen aus einem Katalysator herausgelöst werden. Das kann mit Licht gelingen. Seit einigen Jahren stehen daher sogenannte Nanodiamant-Materialien im Fokus der Forschung: Das sind preiswerte Nanopartikel aus Kohlenstoff, deren Oberflächen im Vergleich zum Volumen sehr groß sind.
Bei reinen Kohlenstoff-Nanodiamant-Materialien wird jedoch (wie beim reinen Diamant) energiereiches UV-Licht für die Anregung benötigt. Weil sie so extrem winzig sind, können sich an den Oberflächen unter Umständen molekulare Zustände etablieren, die auch sichtbares Licht absorbieren.
Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) hat nun im Rahmen des Diacat-Projekts unterschiedliche Varianten von Nanodiamant-Materialien während der Anregung mit Licht untersucht und die Prozesse dabei mit extrem hoher Zeitauflösung analysiert. Nanodiamant-Materialien mit unterschiedlicher Oberflächenterminierung stellte das Team um Dr. Jean-Charles Arnault, CEA, Frankreich, und die Gruppe um Prof. Anke Krueger, Universität Stuttgart, her. Dabei unterschieden sich die Nanopartikel durch ihre Oberflächen, die mal mehr, mal weniger zusätzliche Wasserstoffatome enthielten.
„Der Wasserstoff an den Oberflächen erleichtert die Emission von Elektronen erheblich“, erklärt Dr. Tristan Petit, Nanodiamant-Experte am HZB. „Dabei ist eine bestimmte Kombination aus Wasserstoff sowie Fulleren-artigen Teilchen an den Oberflächen der Nanopartikel ideal.“
Wichtiger Schritt für Photokatalysatoren
„Wir haben die wässrigen Nanodiamantdispersionen mit verschiedenen Oberflächenabschlüssen wie Wasserstoff, -OH oder -COOH untersucht und mit verschiedenen Wellenlängen angeregt“, sagt Dr. Christoph Merschjann. Mithilfe von ultraschnellen Laserpulsen konnten die Forschenden genau vermessen, wie sich das Absorptionsprofil bei verschiedenen Anregungswellenlängen im UV-Bereich bei 225 nm und mit blauem Licht im sichtbaren Bereich bei 400 nm verhält. „Wir wollten herausfinden, was in den entscheidenden Pikosekunden nach Anregung mit Licht passiert, denn das ist die Zeit, in der ein Elektron die Oberfläche verlässt und ins Wasser geht“, erklärt Merschjann.
Das Theorieteam um Dr. Annika Bande steuerte Modellierungen mit Dichtefunktionaltheorie bei, um die Spektren zu interpretieren. Die Messdaten zeigten wie erwartet, dass UV-Licht in allen Proben Elektronen in Lösung bringt, aber bei jenen Proben, die Fulleren-artigen Kohlenstoff an ihren Oberflächen hatten, gelang dies auch mit sichtbarem Licht.
„In dieser Arbeit zeigen wir – nach unserem besten Wissen zum ersten Mal – dass die Emission von gelösten Elektronen aus Nanodiamanten in Wasser mit sichtbarem Licht möglich ist!“, fasst Petit die Ergebnisse zusammen. Damit ist ein entscheidender Schritt geschafft, um Nanodiamant-Materialien als Photokatalysatoren zu erschließen. Die preiswerten und metallfreien Materialien könnten ein Schlüssel sein, um künftig mit Sonnenlicht CO2 zu wertvollen Kohlenwasserstoffen weiterzuverarbeiten oder auch N2 in Ammoniak umzuwandeln.
