Wie Diamanten dabei helfen, CO2 in Methanol umzuwandeln
Diamanten sind nicht nur „Girl‘s best friend“ – Diamantmaterialien haben auch besondere Eigenschaften, wie Forschende jetzt herausgefunden haben. Als solarbetriebene Elektroden können sie beispielsweise CO2 in Methanol oder Stickstoffmoleküle in Dünger umwandeln.
Vier Diamantmaterialien: "Diamantschwarz" aus polykristallinem nanostrukturierten Kohlenstoff (oben rechts), das gleiche Material vor der Nanostrukturierung (oben links), ein Einkristall (unten links) und ein mit Bor dotierter Einkristall (unten rechts).
Foto: A. Chemin / HZB
Es klingt fast wie Zauberei: Photoelektroden, die mit Hilfe von Sonnenenergie CO2 in Methanol oder Stickstoff in nützlichen Dünger umwandeln. Eine aktuelle Studie des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) hat gezeigt, dass sich Diamantmaterialien besonders gut für solche Prozesse eignen. Mit Hilfe der Röntgenspektroskopie an Bessy II, kombiniert mit anderen Messmethoden, konnte das Team um Tristan Petit erstmals die lichtinduzierten Prozesse an der Oberfläche dieser Materialien im Detail analysieren und verstehen, welche Faktoren entscheidend sind. Bessy II ist ein 240 Meter umfassender Speicherring in Berlin-Adlersdorf, in dem Elektronenpakete mit beinahe Lichtgeschwindigkeit kreisen.
Diamantenmaterialien mit besonderen Eigenschaften
Laborgefertigte Diamantenmaterialien unterscheiden sich optisch stark von den funkelnden Exemplaren im Juwelierladen. Sie präsentieren sich als dunkel und unscheinbar. Doch dieser erste Eindruck trügt, denn sie verfügen über einzigartige Eigenschaften, die sie für vielfältige Anwendungen prädestinieren.
Dazu zählen Gehirnimplantate, Quantensensoren, Quantencomputer und als metallfreie Photoelektroden in Elektrolysezellen für die Energieumwandlung. Diese speziellen Diamanten bestehen aus Kohlenstoff, sind industriell und nachhaltig herstellbar und bieten den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu metallbasierten Photoelektroden kaum altern.
Diamanten als metallfreie Photoelektroden
Diamantmaterialien eignen sich hervorragend als metallfreie Photoelektroden. Durch Lichtanregung setzen sie Elektronen in Wasser frei und ermöglichen so chemische Reaktionen, die andernfalls schwer zu realisieren sind.
Ein Beispiel hierfür ist die Umwandlung von CO2 in Methanol. Dieser Prozess transformiert das Treibhausgas CO2 in einen wertvollen Brennstoff. Ein weiteres vielversprechendes Anwendungsfeld könnte die Konversion von Stickstoff zu Ammoniak (NH3) sein, wodurch im Vergleich zum herkömmlichen Haber-Bosch-Verfahren deutlich Energie eingespart werden könnte.
Überraschende Erkenntnisse geben Anlass zu Optimismus
Diamantenmaterialien oxidieren in Wasser und eigentlich gingen die Forschenden davon aus, dass oxidierte Oberflächen keinen Elektronen mehr ins Wasser abgeben. Hinzu kommt, dass die Bandlücken von Diamanten um UV-Bereich liegen, so dass sichtbares Licht nicht ausreichen sollte, um die Elektronen von Oberfläche anzuregen.
Überraschenderweise wurde jedoch eine unerwartete Elektronenemission bei Belichtung festgestellt. Eine aktuelle Studie der Arbeitsgruppe um Dr. Tristan Petit am HZB liefert neue Einblicke in dieses Phänomen und gibt Grund zu Hoffnung.
Dr. Arsène Chemin, Postdoktorand in Petits Team, untersuchte Diamantmaterialproben, die am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg hergestellt wurden. Diese Proben waren speziell darauf optimiert, die CO2-Reduktionsreaktion zu unterstützen. Durch Dotierung mit Bor sollte die elektrische Leitfähigkeit verbessert, und durch eine spezielle Nanostrukturierung wurde die Oberfläche vergrößert, was wiederum die Emission von Ladungsträgern begünstigt.
Versuche an Bessy II zeichnen umfassendes Bild der Prozesse
Chemin nutzte vier unterschiedliche Röntgenspektroskopie-Techniken am Bessy II, um die Probeoberfläche sowie die für die Anregung spezifischer elektronischer Oberflächenzustände benötigte Energie zu untersuchen. Weiterhin verwendete er die am HZB in einem Speziallabor gemessene Oberflächen-Photospannung, um festzustellen, welche Zustände aktiviert werden und wie sich die Ladungsträger innerhalb der Proben bewegen.
Der Forscher maß außerdem die Elektronen-Photoemission in den Proben, sowohl in der Luft als auch in Flüssigkeit. Durch die Zusammenführung all dieser Daten konnte Chemin erstmals ein detailliertes Verständnis der lichtinduzierten Vorgänge auf den Probenoberflächen entwickeln. „Überraschenderweise fanden wir fast keinen Unterschied in der Photoemission von Ladungen in Flüssigkeit, unabhängig davon, ob die Proben oxidiert waren oder nicht“, sagt Chemin.
Diamantmaterialien eignen sich für den Einsatz in wässrigen Lösungen
Vor der Studie waren die Forschenden noch skeptisch, ob sich die Diamantmaterialen wegen der Oxidation in wässrigen Lösungen nutzen lassen. Die Untersuchungen zeigten jedoch, dass dies gut möglich ist. Zudem konnten sie nachweisen, dass sich die Materialien mit sichtbarem Licht anregen lassen. Sobald die Proben mit Bor dotiert waren, reichte violettes Licht aus, um die Elektronen anzuregen.
„Diese Ergebnisse stimmen uns sehr optimistisch“, sagt Chemin: „Mit den Diamantmaterialien haben wir eine neue Materialklasse, die weiter erforscht und breit eingesetzt werden kann.“ Interessant ist auch die Methodik der Studie: Die Kombination röntgenspektroskopischer Methoden könnte auch bei anderen photoaktiven Halbleitermaterialien zu neuen Durchbrüchen führen, hofft der Physiker.
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