Nanomaterialien: Eine Frage der Lage
Wie LMU-Physiker zeigen, lassen sich die lichtemittierenden und photokatalytischen Eigenschaften winziger Kohlenstoff-Nanokügelchen durch exakte Positionierung von Stickstoffatomen präzise einstellen.
Kuvette mit blau lumineszierenden C-Dots.
S. Bhattacharyya
Kohlenstoffkügelchen mit Durchmessern von wenigen Nanometern – sogenannte C-Dots – besitzen ungewöhnliche optische Eigenschaften, die sie für eine Reihe von technologischen Anwendungen, von der solaren Energieumwandlung bis hin zur medizinischen Bildgebung, hochinteressant machen. Darüber hinaus haben C-Dots im Vergleich zu ähnlichen Materialien den Vorteil, dass sie stabil und einfach herzustellen sind und keine toxischen Schwermetalle enthalten. Ob bestimmte C-Dots die für die Bildgebung relevante Lichtemission zeigen oder eher die für die Energieumwandlung wichtigen photokatalytischen Eigenschaften besitzen, hängt von ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer komplexen inneren Struktur ab. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind bisher allerdings schlecht verstanden. LMU-Physiker um Dr. Jacek Stolarczyk haben diese Zusammenhänge untersucht und zeigen, dass die Eigenschaften der C-Dots durch chemische Modifikationen auf einfache Weise beeinflusst werden können.
„Bisher wurden C-Dots typischerweise vor allem mithilfe des Trial-and-Error-Prinzips optimiert“, sagt Stolarczyk. „Um dies zu verbessern, ist ein genaueres Verständnis der Mechanismen essenziell, auf denen die optischen Eigenschaften der C-Dots beruhen.“ Die Wissenschaftler führten ihre Studie im Rahmen des interdisziplinären Projekts „Solar Technologies Go Hybrid“ (SolTEch) durch, das vom Freistaat Bayern großzügig gefördert wird. „Ziel von SolTech ist es, innovative Konzepte für die Umwandlung von Solarenergie insbesondere in nicht-fossile Brennstoffe zu erforschen – und zwar idealerweise mithilfe von reichlich vorhandenen und ungiftigen Materialien“, erklärt Professor Jochen Feldmann, der Leiter des SolTech-Projekts. C-Dots sind für derartige Anwendungen ideal geeignet.
Die Nanokügelchen bestehen aus verschiedenen polyzyklischen Kohlenwasserstoffverbindungen, deren komplexes Zusammenspiel ihre optischen Eigenschaften bestimmt. Für ihre Studie stellten die Wissenschaftler C-Dots her, indem sie ein Gemisch aus Zitronensäure und einem stickstoffhaltigen verzweigten Polymer mit Mikrowellen bestrahlten. Dabei variierten sie die Konzentration des Polymers, sodass unterschiedliche Mengen an Stickstoff in die Nanokügelchen eingebaut wurden. Insbesondere die Art, wie der Stickstoff eingebaut wurde, variierte je nachdem, wie viel Stickstoff zur Verfügung stand.
„Unsere Untersuchungen zeigten, dass die chemische Umgebung der eingebauten Stickstoffatome die Eigenschaften der C-Dots entscheidend beeinflusst“, sagt Dr. Santanu Bhattacharyya, der Erstautor der Veröffentlichung und Alexander-von-Humboldt Fellow am Lehrstuhl von Jochen Feldmann. Der Einbau in den inneren Bereichen graphenartiger Strukturen, wie er bei mittleren Polymerkonzentrationen gefunden wurde, führte zu Nanokügelchen, die bei entsprechender Anregung hauptsächlich Fluoreszenz im blauen Spektralbereich zeigen. Dagegen führte der Einbau an Randpositionen, wie er für sehr hohe und sehr niedrige Polymermengen auftrat, zur Unterdrückung der Lichtemission und stattdessen zu effektiver photokatalytischer Reduktion von Wasser zu Wasserstoff. Durch kleine Variationen der Syntheseprozedur können diese Eigenschaften also fein gesteuert werden. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass ihre neuen Erkenntnisse die Einsatzmöglichkeiten von C-Dots als fluoreszierende Lichtquelle oder für Anwendungen in der Energieumwandlung voranbringen werden.
Originalveröffentlichung
"Effect of nitrogen atom-positioning on the trade-off between emissive and photocatalytic properties of carbon dots"; Santanu Bhattacharyya, Florian Ehrat, Patrick Urban, Roland Teves, Regina Wyrwich, Markus Döblinger, Jochen Feldmann, Alexander S. Urban, Jacek K. Stolarczyk; Nature Communications; 8, 1401 (2017)
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