Nanodiamanter som fotokatalysatorer

Klimaændringerne er i fuld gang og vil fortsætte uformindsket, så længe CO ₂ emissioner fortsætter. En mulig løsning er at returnere CO ₂ til energikredsløbet:CO ₂ kunne forarbejdes med vand til methanol, et brændstof, der let kan transporteres og opbevares. Imidlertid, reaktionen, som minder om en delvis fotosynteseproces, kræver energi og katalysatorer. Udvikling af lysaktive fotokatalysatorer fra rigelige, let opnåede materialer vil muliggøre grønt, klimaneutrale solbrændstoffer.

En kandidat til sådanne fotokatalysatorer er såkaldte diamant-nanomaterialer-disse omfatter nanostrukturerede carbonskum med et højt overfladeareal, og bittesmå nanokrystaller med et par tusinde kulstofatomer, der er opløselige i vand og ligner en sort gylle. For at disse materialer bliver katalytisk aktive, imidlertid, de kræver UV -lys excitation. Kun dette spektrale område af sollys er rig nok på energi til at transportere elektroner fra materialet til en fri tilstand. Først derefter kan solvaterede elektroner udsendes i vand og reagere med det opløste CO ₂ til dannelse af methanol.

Imidlertid, UV -komponenten i solspektret er ikke særlig høj. Fotokatalysatorer, der også kunne bruge det synlige spektrum af sollys, ville være ideelle. Det er her, arbejdet fra HZB-forskeren Tristan Petit og hans samarbejdspartnere i DIACAT kommer ind:Modellering af energiniveauer i sådanne materialer viser, at mellemliggende faser kan indbygges i båndgabet ved doping med fremmede atomer. Bor, et treværdigt element, synes at være særlig vigtig.

Petit og hans team undersøgte derfor prøver af polykrystallinske diamanter, diamantskum og nanodiamanter. Disse prøver var tidligere blevet syntetiseret i grupperne Anke Krüger i Würzburg og Christoph Nebel i Freiburg. Hos BESSY II. Forskerne brugte røntgenabsorptionsspektroskopi til at måle de ubeboede energitilstande, hvor elektroner muligvis kunne blive spændt af synligt lys. "De boratomer, der findes nær overfladen af ​​disse nanodiamanter, fører faktisk til de ønskede mellemtrin i båndgabet, "forklarer ph.d. -studerende Sneha Choudhury, første forfatter til undersøgelsen. Disse mellemtrin er typisk meget tæt på valensbåndene, og tillader således ikke effektiv brug af synligt lys. Imidlertid, målingerne viser, at dette også afhænger af nanomaterialernes struktur.

"Vi kan indføre og muligvis kontrollere sådanne yderligere trin i diamantbåndgabet ved specifikt at ændre morfologi og doping, "siger Tristan Petit. Doping med fosfor eller nitrogen kan også give nye muligheder.