Der Klimawandel ist in vollem Gang und setzt sich ungebremst fort, solange es nicht gelingt, die CO2-Emissionen deutlich zu reduzieren. Dafür brauchen wir alle Optionen. Eine Idee ist, das Treibhausgas CO2 wieder in den Energiekreislauf zurückzuführen: CO2 lässt sich mit Wasser zu Methanol verarbeiten, einem Brennstoff, der sich hervorragend transportieren und speichern lässt. Die Reaktion, die an einen Teilprozess der Photosynthese erinnert, erfordert jedoch Energie und günstige Katalysatoren. Falls es gelingt, diese Energie aus Sonnenlicht zu nutzen und lichtaktive Photokatalysatoren zu entwickeln, die nicht aus seltenen Metallen wie Platin bestehen, sondern aus preisgünstigen und reichlich vorhandenen Materialien, gäbe es eine Chance auf „grüne“, klimaneutral erzeugte Treibstoffe.
Abb.: Mit Fremdatomen dotierter Schaum aus Kohlenstoff (Bild: P. Knittel / Fraunhofer IAF)
Ein Kandidat für solche Photokatalysatoren sind Diamant-Nanomaterialien – winzige Nanokristalle aus wenigen tausend Kohlenstoffatomen, die wasserlöslich sind und wie schwarzer Schlamm aussehen – oder auch um nanostrukturierte „Kohlenstoff-Schäume“ 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, so dass die Reaktion zwischen Wasser und CO2 zu Methanol gelingt.
Allerdings ist der UV-Anteil im Sonnenspektrum nicht sehr hoch. Ideal wären Photokatalysatoren, die auch das sichtbare Spektrum des Sonnenlichts nutzen könnten. Hier setzt nun die Arbeit von HZB-Forscher Tristan Petit und seinen Kooperationspartnern im Rahmen von DIACAT an: Denn Modellierungen von Karin Larsson, Universität Uppsala, hatten gezeigt, dass die sich durch das Dotieren mit Fremdatomen bestimmte Zwischenstufen in der Bandlücke dieser Materialien einbauen lassen sollten. Als besonders ereignet erschient dabei das dreiwertige Element Bor.
Petit und sein Team haben daher Proben aus polykristallinen Diamanten, Diamantschäumen und Nanodiamanten untersucht. Diese Proben waren zuvor von Gruppen um Anke Krüger, Würzburg, und Christoph Nebel, Freiburg, synthetisiert und im Anschluss mit dem Element Bor dotiert worden. An BESSY II ließen sich nun mit Hilfe von Röntgenabsorptions-Spektroskopie bestimmte Energiezustände der Elektronen vermessen. „Die Bor-Atome, die sich an den Oberflächen dieser Nanodiamanten befinden, führen tatsächlich zu den erwünschten Zwischenstufen in der Bandlücke“, erklärt Sneha Choudhuri, Erstautorin der Studie. 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 das Dotieren mit Phosphor oder Stickstoff könnte weitere Chancen bieten.
HZB / DE
