Onderzoek naar nanodiamanten die kunnen worden geactiveerd als fotokatalysatoren met zonlicht

De afbeelding toont twee varianten van nanodiamantmaterialen met verschillende oppervlakken: C₂₃₀H₁₀₆ aan de linkerkant, C₂₈₆H₆₈ aan de rechterkant. Sp3 C-atomen (diamant) zwart, sp3x C-atomen (fullereenachtig) bruin, H-atomen: lichtgrijs. Wanneer het oppervlak gedeeltelijk wordt bedekt door waterstofatomen, kunnen nanodiamanten licht in het zichtbare bereik absorberen en elektronen in oplossing brengen. Credits: T. Kirschbaum / HZB

Nanodiamantmaterialen hebben een groot potentieel als katalysator. Goedkope nanodeeltjes gemaakt van koolstof zorgen voor zeer grote oppervlakken in verhouding tot hun volume. Om chemische reacties in een waterig medium katalytisch te versnellen, moeten elektronen van de katalysator echter in oplossing gaan en in pure diamantmaterialen is hiervoor hoogenergetisch UV-licht nodig voor excitatie. Aan de andere kant maken de extreem kleine afmetingen van de nanodeeltjes nieuwe moleculaire toestanden mogelijk op de oppervlakken van nanodiamanten die ook zichtbaar licht absorberen.

Als onderdeel van het DIACAT-project heeft een team van HZB nu verschillende varianten van nanodiamantmaterialen tijdens excitatie met licht onderzocht en de processen met extreem hoge tijdsresolutie geanalyseerd. Nanodiamantmonsters met verschillende oppervlaktechemie werden geproduceerd door de groep van Dr. Jean-Charles Arnault, CEA, Frankrijk en Prof. Anke Krueger, nu verbonden aan de Universiteit van Stuttgart. De nanodeeltjes verschilden in hun oppervlakken, die verschillende hoeveelheden waterstof- of zuurstofatomen bevatten.

“De waterstof op de oppervlakken maakt elektronenemissie veel gemakkelijker”, legt dr. Tristan Petit, nanodiamant-expert bij HZB, uit. “Van de vele varianten ontdekten we dat een bepaalde combinatie van waterstof en fullereenachtige koolstof op de oppervlakken van de nanodeeltjes ideaal is”, zegt hij.

In het Laserlab van HZB bestudeerden ze waterige nanodiamantdispersies met verschillende oppervlakteterminaties zoals waterstof, -OH of -COOH, nadat ze waren geëxciteerd met ultrasnelle laserpulsen. “We konden experimenteel precies meten hoe het absorptieprofiel zich gedraagt ​​met verschillende excitatiegolflengten in het UV-bereik bij 225 nm en met blauw licht in het zichtbare bereik bij 400 nm”, legt Dr. Christoph Merschjann, HZB uit.

“We wilden uitzoeken wat er gebeurt in de eerste cruciale picoseconden na excitatie met licht, want dat is het moment waarop een elektron het oppervlak verlaat en het water in gaat”, zegt Merschjann. Het theorieteam onder leiding van Dr. Annika Bande droeg bij aan modellering met dichtheidsfunctionaaltheorie om de spectra te interpreteren. De gegevens toonden, zoals verwacht, aan dat UV-licht in alle monsters elektronen in oplossing brengt, maar voor die monsters met fullereenachtige koolstof op hun oppervlak werd dit ook bereikt met zichtbaar licht.

“In dit werk laten we voor het eerst zien – voor zover ons bekend is – dat de emissie van gesolvateerde elektronen uit nanodiamanten in water mogelijk is met zichtbaar licht”, zegt Petit.

Dit is een beslissende stap in de richting van het ontsluiten van nanodiamantmaterialen als fotokatalysatoren. Deze goedkope en metaalvrije materialen kunnen een sleutel zijn tot verdere verwerking van CO₂ in de toekomst met zonlicht om te zetten in waardevolle koolwaterstoffen, of zelfs om N₂ in ammoniak.

Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Nanoschaal.