Nanomaterialien per Laser herstellen

Ein interdisziplinäres Team vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung stellt erstmals eine Laser­technologie vor, die es ermöglicht, Nanopartikel wie Kupfer-, Kobalt- und Nickeloxid herzustellen. Mit der üblichen Druck­geschwindigkeit entstehen auf diese Weise zum Beispiel Fotoelektroden für eine Vielzahl von Anwendungs­bereichen wie der Erzeugung von grünem Wasserstoff.

Bisherige Methoden erzeugen solche Nanomaterialien nur mit hohem Energie­aufwand in klassischen Reaktions­gefäßen und in vielen Stunden. Mit der am Institut entwickelten Laser­technologie können die Wissenschaftler geringe Mengen Material auf eine Oberfläche aufbringen und gleichzeitig mittels hoher Temperaturen des Lasers in kürzester Zeit eine chemische Synthese durchführen. „Als ich die Nanokristalle unter dem Elektronen­mikroskop entdeckte, wusste ich, dass ich etwas Größerem auf der Spur bin“, sagt Junfang Zhang, Erstautorin der Studie und Doktorandin. Aus dieser Entdeckung wurde eine neue und umweltfreundliche Methode zur Synthese von Materialien, die unter anderem auch Sonnen­energie effizient in Strom umwandeln kann.

Ohne Umwege direkt mit Sonnenlicht zu Wasserstoff: „Heutzutage wird der meiste grüne Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe von Strom erzeugt, der von Solarzellen kommt und in Batterien gespeichert wird. Durch den Einsatz von Fotoelektroden können wir das Sonnenlicht direkt nutzen“, sagt Aleksandr Savateev.

Das neu entwickelte Prinzip funktioniert mit Übergangsmetalloxiden, hauptsächlich Kupfer-, Kobalt- und Nickeloxid, die allesamt gute Katalysatoren sind. Die Besonderheit dieser Oxide liegt in der Vielzahl ihrer möglichen Kristallformen (Nanokristalle wie Nanostäbe oder -sterne), die sich auf ihre Oberflächenchemie auswirken. Jede Struktur kann einen anderen Einfluss auf katalytische Reaktionen haben.

Daher ist es wichtig, dass diese Nanostrukturen gezielt – oder sogar ungezielt, aber wiederholbar – hergestellt werden können. Die entwickelte Technologie könnte auch genutzt werden, um schnell und effizient neue Katalysatoren zu finden. „Laserpunkt für Laserpunkt können wir nebeneinander durch einfache Variation der Zusammensetzung und der Bedingungen verschiedene Katalysatoren erzeugen und dann auch gleich parallel testen“, sagt Felix Löffler und fügt ergänzend hinzu: „Wir müssen jetzt aber noch daran arbeiten, dass die Katalysator­systeme in allen Anwendungs­bereichen ausdauernder werden.“

Ähnlich dem Prinzip einer Schreibmaschine, wird bei der neuen Methode Material von einem Donor- auf einen Akzeptor-Träger übertragen. Auf ersterem befindet sich die „Farbe“, ein festes Polymer, was mit Metallsalzen vermischt ist, letzterer besteht aus einem dünnen Kohlen­stoffnitrid-Film auf einer leitfähigen Elektrode. Durch gezielte Laser­bestrahlung werden die Salze zusammen mit dem geschmolzenen Polymer auf den Akzeptor übertragen. Die kurzzeitig hohen Temperaturen lassen die Salze innerhalb von Millisekunden reagieren und sie wandeln sich in Metalloxid-Nanopartikel mit gewünschter Morphologie um.

MPIKG / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Zhang et al.: Laser-driven growth of structurally defined transition metal oxide nanocrystals on carbon nitride photoelectrodes in milliseconds, Nat. Commun. 12, 3224 (2021); DOI: 10.1038/s41467-021-23367-7
• Synthetic Array Technologies (F. Löffler), Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam-Golm