Наноалмазные материалы обладают большим потенциалом в качестве катализаторов. Недорогие наночастицы, изготовленные из углерода, обеспечивают очень большие поверхности по сравнению с их объемом. Однако, чтобы каталитически ускорить химические реакции в водной среде, электроны от катализатора должны перейти в сольватацию, и для этого в чистых алмазных материалах требуется высокоэнергетический ультрафиолетовый свет для возбуждения. С другой стороны, чрезвычайно малые размеры наночастиц позволяют создавать новые молекулярные состояния на поверхностях наноалмазов, которые также поглощают видимый свет.
Различные поверхности
В рамках проекта DIACAT команда HZB в настоящее время исследовала различные варианты наноалмазных материалов при возбуждении светом и проанализировала процессы с чрезвычайно высоким временным разрешением. Образцы наноалмазов с различным химическим составом поверхности были получены группой доктора Жана-Шарля Арно, CEA, Франция и проф. Анке Крюгер, сейчас работает в Штутгартском университете. Наночастицы различались по своим поверхностям, которые содержали разное количество атомов водорода или кислорода.
Помогает водород - и углерод, подобный фуллерену, тоже
"Водород на поверхностях значительно облегчает эмиссию электронов", - объясняет доктор Тристан Пети, эксперт по наноалмазам в HZB. "Среди множества вариантов мы обнаружили, что определенная комбинация водорода, а также фуллереноподобного углерода на поверхностях наночастиц является идеальной", - говорит он.
Сверхбыстрое лазерное возбуждение
В лазерлаборатории HZB они изучали водные дисперсии наноалмазов с различными поверхностными окончаниями, такими как водород, -OH или -COOH, после возбуждения их сверхбыстрыми лазерными импульсами. "Мы смогли экспериментально точно измерить, как ведет себя профиль поглощения при различных длинах волн возбуждения в ультрафиолетовом диапазоне при 225 нм и при синем свете в видимом диапазоне при 400 нм", - объясняет доктор Кристоф Мершьянн, HZB.
Пикосекунды после возбуждения
"Мы хотели выяснить, что происходит в первые критические пикосекунды после возбуждения светом, потому что именно в это время электрон покидает поверхность и попадает в воду", - говорит Мершьянн. Команда теоретиков, возглавляемая доктором Анникой Банде, внесла свой вклад в моделирование с использованием теории функционала плотности для интерпретации спектров. Данные показали, как и ожидалось, что ультрафиолетовый свет переносит электроны в раствор во всех образцах, но для тех образцов, на поверхности которых был фуллереноподобный углерод, это также было достигнуто с помощью видимого света.
Синий свет может работать
"В этой работе мы впервые показываем - насколько нам известно - что излучение сольватированных электронов из наноалмазов в воде возможно при помощи видимого света!", - резюмирует результаты Пети. Это решающий шаг на пути к открытию наноалмазных материалов в качестве фотокатализаторов. Эти недорогие материалы, не содержащие металлов, могут стать ключом к дальнейшей переработке CO2 в ценные углеводороды с солнечным светом в будущем или даже для преобразования N2 в аммиак.
Примечание: DIACAT получила финансирование от Исследовательской и инновационной программы Европейского союза "Горизонт 2020" в рамках грантового соглашения no 665085.
Комментарии