Photokatalyse mit Metalloxidpartikeln
Prozesse bei der Ladungstrennung über unterschiedliche Zeitskalen experimentell erfasst.
Die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe von photokatalytisch aktiven Partikeln soll künftig preiswert grünen Wasserstoff produzieren: Mit Sonnenlicht werden in Photokatalysatoren Ladungsträger aktiviert, deren räumliche Trennung bei der photokatalytischen Wasserspaltung eine entscheidende Rolle spielt. Allerdings sind heutige Photokatalysatoren noch entweder sehr teuer oder wenig effizient.
Metalloxidpartikel gelten als günstige Kandidaten mit großem Potential: Bei der Aktivierung von Ladungsträgern durch Licht überlagern sich jedoch mehrere Prozesse, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und auf verschiedenen räumlichen Skalen stattfinden. Um solche Prozesse experimentell zu beobachten, werden Methoden benötigt, die Zeitauflösungen bis hinunter zu Femtosekunden bieten, aber auch längere Prozesse beobachten können, die innerhalb von Mikrosekunden und langsamer ablaufen. An mikrokristallinen Kupfer(I)oxid-Partikeln hat dies nun ein Team um Fengtao Fan und Can Li aus dem Dalian National Laboratory for Clean Energy, China, geschafft.
Mit rasch aufeinanderfolgenden mikroskopischen Aufnahmen der zeitaufgelösten Photoemissions-Elektronen-Mikroskopie zeigten sie, dass einer dieser Prozesse in den Cu2O-Partikeln extrem schnell abläuft – in weniger als einer Pikosekunde: Nach Anregung mit Licht werden Elektronen quasi ballistisch auf -Facetten von Cu2O-Partikeln übertragen.
Um einen zweiten Prozess experimentell zu beobachten, war jedoch eine andere Methode erforderlich: Denn photogenerierte Löcher wandern zu den -Facetten und werden dort durch Defekte eingefangen. Diesen wichtigen Prozess konnte Thomas Dittrich mit transienter Oberflächenphotospannungs-Spektroskopie (SPV-Spektroskopie) beobachten, einer von ihm am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) entwickelten Methode. „Wir stellten fest, dass der Löchereinfang relativ langsam stattfand, im Lauf von Mikrosekunden“, erklärt er.
Zusammengenommen ermöglichen die Ergebnisse erstmals, Prozesse, die die Photokatalyse limitieren, auf mikrokristallinen Partikeln mit hoher Orts- und Zeitauflösung über weite Bereiche zu untersuchen und besser zu verstehen.
„Mit der transienten SPV-Spektroskopie können wir auch andere Halbleiter und Grenzflächen untersuchen, die zum Beispiel für Anwendungen von der Photovoltaik über die Photokatalyse bis zur Hochleistungselektronik relevant sind“, sagt Dittrich. Auch an organischen Halbleitern oder Ultrabreitband-Halbleitern wie Diamant lassen sich interessante Einsichten in Relaxationsprozesse gewinnen. „Vielleicht kann unsere Publikation in Nature dazu führen, diese vielseitige Methode bekannter zu machen“, sagt Dittrich.
HZB / DE
