Auf dem Weg zu einer kohlenstofffreien Zukunft

28. Januar 2020

Foto: AG Lange

Reaktionsgeschwindigkeiten der Glucoseoxidation an Goldnanopartikeln für Anregungen mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen und Leistungen. Bei verschiedenen Wellenlängen verstärkt die gleiche Menge an absorbierter Energie die Reaktion auf unterschiedliche Weise, was bei thermischen Prozessen nicht möglich wäre. Die Rate ist im Bereich der Plasmonenabsorption (564 nm) maximal.

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Holger Lange von der Universität Hamburg hat verschiedene Effekte analysiert, die der plasmonenverstärkten Katalyse zugrunde liegen. Die Wissenschaftlerin und Wissenschaftler beobachteten, dass nicht-thermische Effekte signifikant zur plasmonischen Verstärkung beitragen. Die Ergebnisse, die für eine Vielzahl von Reaktionen relevant sind, wie zum Beispiel die Wasserspaltung, wurden soeben in "ACS Catalysis" veröffentlicht.

"Die Katalyse an optisch angeregten Metall-Nanopartikeln wird derzeit intensiv als ein möglicher Ansatz für lichtinduzierte chemische Reaktionen diskutiert", erklärt Lange vom Exzellenzcluster "CUI: Advanced Imaging of Matter". Metall-Nanopartikel, zum Beispiel aus Gold, besitzen eine einzigartige optische Anregung, die Plasmonen. Dort oszillieren die beweglichen Elektronen innerhalb des Nanopartikels in Phase mit dem anregenden Licht. Nach der optischen Anregung führt der Zerfall der Plasmonen zu einer (nicht-thermischen) Nicht-Gleichgewichtsverteilung der Elektronen. Wenige Elektronen besitzen dann sehr viel Energie. Elektronenübergänge und Elektron-Elektron-Streuung führen dann zu einem Ausgleich der überschüssigen Energie und kühlen das Elektronengas auf ein thermisches Gleichgewicht ab. Die anschließende Wechselwirkung mit dem Atomgitter der Nanopartikel wandelt die absorbierte Energie schließlich in Wärme um. Im Prinzip können sowohl die energiereichen nichtthermischen Elektronen als auch die erhöhten Temperaturen mit einer chemischen Reaktion an der Oberfläche der Nanopartikel koppeln. "Die Unterscheidung zwischen thermischen und nicht-thermischen Beiträgen wird derzeit intensiv diskutiert, denn sie ist notwendig für die Optimierung der plasmonischen Plattformen", sagt Lange.

Glucoseoxidation - Modellreaktion von breiter Relevanz

Zur Untersuchung der plasmonenbasierten Reaktionsverstärkung schlossen sich die Wissenschaftler mit Kollegen der Technischen Universität Hamburg, Experten für Elektrochemie (AG Eich), zusammen und beobachteten die elektrochemische Glucoseoxidation. Sie gilt als Modellreaktion von breiter Relevanz mit einer Reaktionsgeschwindigkeit, die sich direkt aus dem elektrochemischen Strom ableiten lässt. Da die Wissenschaftlerin und Wissenschaftler unterschiedliche Abhängigkeiten für thermische und nicht-thermische Prozesse erwarteten, beobachteten sie diesen Strom, also die Reaktionsrate, für verschiedene Anregungsbedingungen.

"Wir konnten beobachten, dass die Reaktionsrate bei der Anregung des Plasmons maximiert wird", erklärt Erstautorin Marina Rodio, Louise Johnson Fellow am Cluster. "Durch eine Normierung auf die absorbierte Energie sahen wir klare Hinweise darauf, dass nicht-thermische Elektronen die Reaktion antreiben. Die gleiche Menge an Energie, die bei der Plasmonenresonanz absorbiert wird, führt zu mehr Reaktionsereignissen als die Menge an Energie, die in anderen Spektralbereichen absorbiert wird.“

Optimierung plasmonischer Plattformen

Die Ergebnisse sind von unmittelbarer Bedeutung für die plasmonenunterstützte Katalyse, da sie eine Optimierung der plasmonischen Plattformen ermöglichen. "Unsere Ergebnisse können für ein breites Spektrum von Reaktionen getestet werden, die für eine Zukunft ohne Kohlenstoff relevant sind", sagt Lange. Erste Experimente deuten beispielsweise darauf hin, dass die Zugabe von plasmonischen Nanopartikeln zu photoelektrischen Zellen die Geschwindigkeit der Wasserspaltung bei der Beleuchtung mit sichtbarem Licht erhöhen kann. Text: CUI

Originalveröffentlichung:

Marina Rodio, Matthias Graf, Florian Schulz, Niclas Sven Mueller, Manfred Eich, Holger Lange

“Experimental Evidence for Non-Thermal Contributions to Plasmon-Enhanced Electrochemical Oxidation Reactions”

ACS Catal. 2020, XXXX, XXX, XXX-XXX

DOI: 10.1021/acscatal.9b05401