23.10.2018

Nanodiamanten brillieren beim Klimaschutz

Bor-dotierte Diamant-Nanomaterialien weisen vielversprechende photokatalytische Eigenschaften auf.

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

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