Direkte Beobachtung des Photocharging-Mechanismus in Gold-Nanoröhrchen eröffnet Wege für Solarenergienutzung

Eine Forschungsgruppe der Universität Potsdam hat erstmals den lichtinduzierten Akkumulationsprozess von Ladung in Gold-Nanoröhrchen, die als Photokatalysatoren dienen, direkt beobachtet und modelliert. Diese fundamentalen Erkenntnisse sind von zentraler Bedeutung für die Entwicklung nachhaltiger Energieumwandlungstechnologien, da Gold-Nanoröhrchen das Potenzial besitzen, Lichtenergie für chemische Synthesen nutzbar zu machen, etwa zur Umwandlung von Kohlendioxid in Kraftstoffe oder zur Wasserstofferzeugung. Die Publikation der Ergebnisse in Nature Communications wurde als „Editor's Highlight“ gewürdigt, was die Relevanz der Arbeit unterstreicht.

Die Untersuchung erfolgte im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs (SFB) 1636, der seit seinem Start im Jahr 2024 mit elementaren Prozessen lichtgetriebener Reaktionen an nanoskaligen Metallen befasst. Die detaillierte Analyse enthüllt, dass die Nanoröhrchen unter Lichteinwirkung als mikroskopische Antennen fungieren, welche das einfallende Licht in kollektive Elektronenoszillationen umwandeln. Bei diesem Vorgang entstehen Elektron-Loch-Paare; die positiven Ladungsträger, die Löcher, werden auf umgebende Moleküle wie Ethanol übertragen, während die Elektronen auf dem Partikel verbleiben und so die Photoaufladung bewirken.

Dr. Felix Stete, der Erstautor und wissenschaftliche Koordinator der Studie, betonte, dass Licht allein ausreicht, um elektrische Potenziale zwischen einem einzelnen Nanopartikel und seiner Umgebung zu erzeugen. Die Forscher beschreiben die Partikel in diesem Zustand als „photochemische Kondensatoren“, da sie Ladung an ihrer Oberfläche speichern können, was zu signifikanten Veränderungen ihrer optischen und chemischen Eigenschaften führt. Die Leitung der Forschung oblag dem Physiker Dr. Wouter Koopman vom Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam.

Dr. Koopman verglich die Funktionsweise der Partikel mit nanometergroßen Elektrolyseuren, die jedoch den entscheidenden Vorteil bieten, dass sie keine externe Spannungsquelle benötigen, um chemische Reaktionen anzutreiben. Die Beobachtung dieses bisher schwer fassbaren Photocharging-Prozesses liefert einen neuen physikalischen Rahmen zur Optimierung lichtgetriebener chemischer Reaktionen und katalytischer Systeme. Die Arbeit, die auch von Prof. Dr. Matias Bargheer und Prof. Dr. Ilko Bald im Kontext des SFB 1636 vorangetrieben wird, eröffnet Perspektiven für neuartige Energiespeichertechnologien und solargestützte chemische Reaktoren.

Die methodische Grundlage dieser Beobachtung beruht auf der Nutzung der Empfindlichkeit der longitudinalen Oberflächenplasmonenresonanz der Gold-Nanoröhrchen gegenüber der Ladungsdichte. Diese Eigenschaft ermöglichte es dem Team, die Ladungsakkumulation in Echtzeit zu quantifizieren und zu verfolgen. Das entwickelte Modell, welches die Partikel als Nanokondensatoren betrachtet, erlaubt die Quantifizierung der Ladungsmenge in Abhängigkeit von der Beleuchtungsintensität. Experimentelle Befunde zur Abhängigkeit von Lösungsmittel, Partikelgröße und Ligandentyp bestätigen das vorgeschlagene Kondensatormodell und legen den Grundstein für die rationale Konstruktion dynamischer Ladungszustände bei plasmongetriebenen photochemischen Prozessen.