Nanodiamanten als Photokatalysatoren mit Sonnenlicht aktivierbar

Nanodiamant-Materialien besitzen Potenzial als preisgünstige
Photokatalysatoren. Doch bisher benötigten solche Kohlenstoff-Nanopartikel
energiereiches UV-Licht, um aktiv zu werden. Das DIACAT-Konsortium hat
daher Variationen von Nanodiamant-Materialien hergestellt und analysiert.
Die Arbeit zeigt: Wenn die Oberfläche der Nanopartikel mit ausreichend
Wasserstoff-Atomen besetzt ist, reicht auch die schwächere Energie von
Licht im sichtbaren Bereich für die Anregung aus. Photokatalysatoren auf
Basis von Nanodiamanten könnten in Zukunft mit Sonnenlicht CO2 oder N2 in
Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak umwandeln.

Um chemische Reaktionen in einem wässrigen Medium katalytisch zu
beschleunigen, kommt es darauf an, zunächst Elektronen aus einem
Katalysator herauszulösen. Das kann mit Licht gelingen. Seit einigen
Jahren stehen daher so genannte Nanodiamant-Materialien im Fokus der
Forschung: Es 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 jedoch
molekulare Zustände etablieren, die auch sichtbares Licht absorbieren.

Ein Team am 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. Nanodiamantmaterialien 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“, sagt er.

„Wir haben die wässrigen Nanodiamantdispersionen mit verschiedenen
Oberflächenabschlüssen wie Wasserstoff, -OH oder -COOH untersucht und mit
verschiedenen Wellenlängen angeregt“, sagt Dr. Christoph Merschjann. Mit
Hilfe von ultraschnellen Laserpulsen konnten sie 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“, sagt 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. Diese preiswerten und metallfreien
Materialien könnten ein Schlüssel sein, um künftig mit Sonnenlicht CO2 zu
wertvollen Kohlenwasserstoffen weiter zu verarbeiten oder auch N2 zu
Ammoniak zu machen.