Katalytische Nanodiamanten

Ein inter­nationales Forscherteam hat neue Einblicke in die Wechsel­wirkungen zwischen Nano­diamanten und Wasser­molekülen gewonnen. Durch Versuche an Synchrotron­quellen konnten sie feststellen, dass kleine Molekül­gruppen auf den Nanodiamant­ober­flächen großen Einfluss auf das Wasser­stoff­brücken-Netzwerk ausüben. Dies könnte ins­besondere für photo­katalytische Anwendungen interessant sein, zum Beispiel für die Produktion von solaren Brenn­stoffen mit Kohlen­dioxid und Licht.

Diamanten kennen wir als durch­sichtige schimmernde Kristalle, die in Wasser rasch versinken. Aber tat­sächlich kommt es darauf an, wie groß die Diamant­kristalle sind. Die aller­kleinsten solcher Kristalle, die nur wenige Nanometer dick sind, schweben in Wasser und bilden eine ölige, schwarze Mischung, ein Kolloid. Solche Nano­diamanten in Lösung lassen sich vielseitig anwenden, zum Beispiel in der medi­zinischen Forschung oder als metall-freie Kata­lysatoren für die Umwandlung von Licht in chemische Energie. Dabei spielen die Wechsel­wirkungen zwischen den Nano­partikeln und den umge­benden Wasser­molekülen eine extrem wichtige Rolle. Sie entscheiden darüber, ob das Kolloid stabil bleibt oder sich entmischt, bestimmen die op­tischen Eigen­schaften, aber vor allem auch die chemische und kata­lytische Reaktivität. Was jedoch im Detail an den Grenz­flächen zwischen Nano­diamanten und Wasser­molekülen passiert, war bislang kaum bekannt.

Nun hat eine inter­nationale Koopera­tion zwischen russischen, japanischen, ameri­kanischen, fran­zösischen und deutschen Forschungs­gruppen erstmals die Wechsel­wirkungen zwischen Nano­diamanten und Wasser­molekülen genauer untersucht. Durch die Kombi­nation ver­schiedener spektro­skopischer Methoden an den Synchrotron­quellen BESSY II am HZB in Berlin und an UVSOR III in Japan gelang es ihnen, die Wechsel­wirkungen im Einzelnen aufzu­schlüsseln. Dafür modi­fizierten sie die Ober­flächen der Nano­diamanten, mit Wasser­stoff oder kleinen Molekülen, die an den Oberflächen der Nano­diamanten andockten, zum Beispiel Karboxyl-Gruppen und Hydroxyl­gruppen.

Dabei zeigte sich, dass die Ober­flächen-Gruppen einen unter­schiedlich starken Einfluss auf die Wasser­stoff­brücken-Netz­werke im Kolloid ausüben. Während Hydroxyl- und Karboxyl-Gruppen an den Nano­diamanten die Anordnung der umge­benden Wasser­moleküle nur wenig verän­derten, führten angehängte Wasser­stoff­atome zu einer deutlichen Verän­derung: „Die Wasser­stoff­brücken zwischen den Wasser­molekülen sind viel schwächer als die, die man in normalem Wasser findet“, sagt der HZB-Physiker Tristan Petit. Dies könnte mit der An­reicherung von Elektronen an den Grenz­flächen zwischen Nano­diamanten und Wasser zusammen­hängen, vermuten die Forscher. „Diamant-Ober­flächen mit ange­lagerten Wasser­stoff­atomen setzen effizient Elek­tronen in Wasser frei, was die Reduktion von CO₂ in Wasser mit Hilfe von UV-Licht ermög­lichen könnte“, erklärt Petit. „Die einzig­artige Struktur von Wasser, die mit den hydro­genierten Ober­flächen einhergeht, spielt sicher eine bislang unter­schätzte Rolle in diesem aufre­genden Prozess.”

HZB / JOL