Photokatalytisch aktive kolloidale platindekorierte Cadmiumsulfidnanostäbchen zur Wasserstoffproduktion

Photokatalyse zählt zu den Zukunftstechnologien der
Energieerzeugung und -speicherung. Kolloidale Nanopartikelsysteme
gelten als potentielle Lösungsansätze, da sie als „schwimmende
Nanokraftwerke“ in wässriger Lösung langfristig eine effiziente in
situ Umwandlung von Sonnenenergie in Brennstoff versprechen. In
dieser Arbeit wurde erstmals mit kolloidalen
Halbleiternanopartikeln photokatalytische Wasserstoffproduktion
erzielt. Im Detail wurde Wasser mit kolloidalen, platindekorierten
Cadmiumsulfidnanostäbchen zu Wasserstoff reduziert. Die Oxidation
des Wassser zu Sauerstoff wurde durch Zugabe eines
Reduktionsmittels (Lochfänger) substituiert, z.B. Sulfit, das durch
das Photoloch zu Sulfat reduziert wird. Bei der photochemischen
Platindekoration wurden neben den erwarteten Platinnanopartikeln
mit 4 - 5nm Durchmesser auch Subnanometer große Platincluster
entdeckt, die trotz der geringeren Menge an deponierten Platin auf
den Nanostäbchen die gleiche Quanteneffizienz demonstrieren. Zum
tiefgreifenden Verständnis eines photokatalytischen
Nanopartikelsystems wurde erstmals die Ladungsträgerdynamik der
Photoladungen während der Wasserstoffproduktion mit transienter
Absorptionsspektroskopie untersucht. Es stellt sich heraus, dass
der Elektronentransfer zum Platin mit zunehmender Platinmenge
beschleunigt wird. Entgegen der Erwartung stellt man bei Zugabe des
Lochfängers zur photokatalytischen Aktivierung des Systems eine
Verlangsamung der Ladungstransfer zum Platin um eine Größenordnung
fest, obwohl man intuitiv bei Wasserstoffproduktion einen
beschleunigten Elektronentransfer zum Katalysator gegenüber einem
inaktiven System erwarten würde. Der reduzierte Transfer des
Elektrons zum Platin resultiert aus komplexer Wechselwirkung von
Elektron und Loch, das zur Lokalisation des Elektrons an der
Oberfläche oder zur Delokalisation in Volumenzuständen führt. Je
nach Zustand der Elektronenwellenfunktion folgt ein größerer oder
geringerer Überlapp der Wellenfunktion mit der Platindekoration an
der Oberfläche, was die Transferrate direkt beeinflusst. Des
Weiteren wurde der Einfluss des Reduktionspotentials des
Lochfängers auf die Quanteneffizienz untersucht und festgestellt,
dass mit stärkerer Reduktionskraft auch die Effizienz der
Wasserstoffproduktion steigt. Dies ist auf eine beschleunigte
Ladungstrennung des Exzitons durch effizientere Oxidation des
Lochfängers durch das Photoloch zurückzuführen. In einem weiteren
Projekt wurde eine neue Depositionsmethode entwickelt, mit der auf
Monolagenfilmen aus Cadmiumsulfidnanostäbchen im Ultrahochvakuum
Platincluster mit definierter Anzahl von Clustern pro Nanostäbchen
und kontrollierter Anzahl von Platinatomen pro Cluster deponiert
wurden.