Superkristalle als Verstärker der Photokatalyse

5. Dezember 2023

Foto: UHH, Florian Schulz

Die Zwischenräume eines Superkristalls (obere Reihe) lassen sich mit kleineren Partikeln infiltrieren (untere Reihe), die bei der Bestrahlung mit sichtbarem Licht ihre Eigenschaften ändern.

Wasserstoff ist Hoffnungsträger für eine klimaverträgliche Zukunft. Derzeit wird er meist durch Elektrolyse von Wasser mit Strom hergestellt, es gibt aber auch andere Strategien, wie zum Beispiel die Photokatalyse. Forschende der Universität Hamburg, der Freien Universität Berlin und der Ludwig-Maximilians-Universität München berichten im Fachmagazin „Nature Catalysis“, wie Superkristalle aus Goldnanopartikeln katalytische Platinpartikel zu Photokatalysatoren machen können.

Bei der Photokatalyse aktiviert Licht eine katalytische chemische Reaktion. Ein zur Energiegewinnung wichtiger Prozess ist die photokatalytische Wasserstofferzeugung mit Sonnenlicht. Aus der Grundlagenforschung zur heterogenen Katalyse ist eine breite Palette an Materialien zur Wasserstoffkatalyse bekannt. Die meisten davon, wie die Metalle Platin oder Palladium, können jedoch nicht von sichtbarem Licht aktiviert werden. Die zum Treiben der Reaktion nötige Energie muss anders extern zur Verfügung gestellt werden, zum Beispiel elektrochemisch.

Forschende der Universität Hamburg haben in den letzten Jahren Strategien entwickelt, wie sich diese Metalle trotzdem mit Licht nutzen lassen. Dabei stellten sie sogenannte Superkristalle aus Goldnanopartikeln in Form periodisch angeordneter Filme her und untersuchten diese. So konnten sie zunächst nachweisen, dass eine extrem starke Wechselwirkung zwischen dem Licht und dem Superkristall besteht, wodurch das Licht in den Zwischenräumen um die Partikel kondensiert wird. Folgestudien zeigten, dass sich diese Zwischenräume mit kleineren Partikeln infiltrieren lassen, etwa den genannten katalytisch hochaktiven Materialien Platin oder Palladium. In dem aktuellen Kooperationsprojekt unter Leitung der Münchner Katalysegruppe von Prof. Dr. Emiliano Cortés untersuchten die Forschenden dann, inwieweit sich die Eigenschaften der Katalysatoren verändern.

Platin ist bei Anregung mit sichtbarem Licht zunächst nicht photokatalytisch aktiv, das heißt, die reaktionsverstärkenden Eigenschaften des Materials bleiben unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht gleich. „Sobald das Platin aber in einen Goldnanopartikelsuperkristall eingebettet wird, lässt es sich optisch aktivieren, und zwar in dem Wellenlängenbereich, in dem der Superkristall das Licht am stärksten kondensiert: im sichtbaren, grünen Spektralbereich“, erklärt Prof. Holger Lange vom Fachbereich Chemie der Universität Hamburg, der auch im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ forscht. Aus dem „passiven Katalysator“ wird so ein Photokatalysator.

In der Folge konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass neben Platin auch andere Metallpartikel in die Superkristalle eingebettet und ebenso aktiviert werden können. „Durch das Design der Superkristalle und die Wahl der Metallpartikel könnten so flexible und spezifische Photokatalysatoren gestaltet werden“, sagt Dr. Florian Schulz aus der Gruppe von Prof. Wolfgang Parak vom Institut für Nanostruktur- und Festkörperphysik der Universität Hamburg. Um Anwendungen etwa im Bereich der Wasserstofferzeugung zu ermöglichen, müssten in einem nächsten Schritt die Skalierbarkeit der Synthesen und die Stabilität der Strukturen optimiert werden.

Originalpublikation

Matias Herran, Sabrina Juergensen, Moritz Kessens et al.

"Plasmonic bimetallic two-dimensional supercrystals for H2 generation"

Nature Catalysis (2023)

DOI: 10.1038/s41929-023-01053-9