Forschung & Entwicklung

Nanodiamanten als Fotokatalysatoren

Diamantnanomaterialien gelten als Kandidaten für günstige Fotokatalysatoren. Mit Bor dotiert könnten die fotokatalytischen Eigenschaften der Diamantnanomaterialien deutlich verbessert werden.

Der Klimawandel ist in vollem Gang und setzt sich ungebremst fort, solange es nicht gelingt, die CO2-Emissionen deutlich zu reduzieren. Eine Idee ist, das Treibhausgas CO2 wieder in den Energiekreislauf zurückzuführen: CO2 könnte mit Wasser zu Methanol verarbeitet werden, einem Brennstoff, der sich hervorragend transportieren und speichern lässt. Die Reaktion erfordert jedoch Energie und günstige Katalysatoren. Falls es gelingt, diese Energie aus Sonnenlicht zu nutzen und lichtaktive Fotokatalysatoren zu entwickeln, die aus preisgünstigen und reichlich vorhandenen Materialien bestehen, gäbe es eine Chance auf klimaneutral erzeugte Treibstoffe.

Ein Kandidat für solche Fotokatalysatoren sind so genannte Diamantnanomaterialien – dabei handelt um winzige Nanokristalle aus wenigen tausend Kohlenstoffatomen, die wasserlöslich sind und wie schwarzer Schlamm aussehen oder auch um nanostrukturierte ‚Kohlenstoffschäume‘ mit sehr großen Oberflächen. Damit diese Materialien katalytisch aktiv werden, benötigen sie jedoch Anregung durch UV-Licht. Nur dieser Spektralbereich des Sonnenlichts ist energiereich genug, um Elektronen aus dem Material in einen ‚freien Zustand‘ zu befördern, sodass die Reaktion zwischen Wasser und CO2 zu Methanol gelingt.

Allerdings ist der UV-Anteil im Sonnenspektrum nicht sehr hoch. Ideal wären Fotokatalysatoren, die auch das sichtbare Spektrum des Sonnenlichts nutzen könnten. Hier setzt nun die Arbeit von Dr. Tristan Petit vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und seinen Kooperationspartnern im Rahmen des Projekts DIACAT an: Denn Modellierungen von Professor Karin Larsson, Universität Uppsala, hatten gezeigt, dass die sich durch die Dotierung mit Fremdatomen bestimmte Zwischenstufen in der Bandlücke dieser Materialien einbauen lassen sollten. Als besonders geeignet erscheint dabei Bor.

Petit und sein Team haben daher Proben aus polykristallinen Diamanten, Diamantschäumen und Nanodiamanten untersucht, die mit dem Element Bor dotiert wurden. An BESSY II konnten nun mithilfe von Röntgenabsorptionsspektroskopie bestimmte Energiezustände der Elektronen vermessen werden. „Die Boratome, die sich an den Oberfläche dieser Nanodiamanten befinden, führen tatsächlich zu den erwünschten Zwischenstufen in der Bandlücke“, erklärt Sneha Choudhuri vom HZB. Allerdings befinden sich diese Zwischenstufen sehr nahe an den Leitungsbändern, ermöglichen also bislang nicht, sichtbares Licht zu nutzen. Dies hängt aber auch, zeigen die Messungen, vom Aufbau der Nanomaterialien ab.

„Wir können solche zusätzlichen Stufen in der Bandlücke solcher Diamantmaterialien durch gezieltes Verändern der Morphologie und Dotieren einführen und möglicherweise kontrollieren“, sagt Tristan Petit. Auch die Dotierung mit Phosphor oder Stickstoff könnte weitere Chancen bieten.

von mn

Originalveröffentlichung:

[S. Choudhury et al., Combining nanostructuration with boron doping to alter sub band gap acceptor states in diamond materials, J. Mater. Chem. A (2018), DOI: 10.1039/c8ta05594g]

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