Klimaatverandering is in volle gang en zal onverminderd doorgaan zolang CO ₂ uitstoot gaat door. Een mogelijke oplossing is om CO . terug te sturen ₂ naar de energiecyclus:CO ₂ met water kan worden verwerkt tot methanol, een brandstof die gemakkelijk kan worden vervoerd en opgeslagen. Echter, de reactie, die doet denken aan een gedeeltelijk proces van fotosynthese, vereist energie en katalysatoren. Het ontwikkelen van lichtactieve fotokatalysatoren uit overvloedige, gemakkelijk te verkrijgen materialen zouden groen, klimaatneutrale zonnebrandstoffen.

Een kandidaat voor dergelijke fotokatalysatoren zijn zogenaamde diamant-nanomaterialen - deze omvatten nanogestructureerde koolstofschuimen met een groot oppervlak, en minuscule nanokristallen van een paar duizend koolstofatomen die oplosbaar zijn in water en eruitzien als een zwarte slurry. Om ervoor te zorgen dat deze materialen katalytisch actief worden, echter, ze vereisen UV-lichtexcitatie. Alleen dit spectrale bereik van zonlicht is rijk genoeg aan energie om elektronen van het materiaal naar een vrije toestand te transporteren. Alleen dan kunnen gesolvateerde elektronen in water worden geëmitteerd en reageren met de opgeloste CO ₂ methanol te vormen.

Echter, de UV-component in het zonnespectrum is niet erg hoog. Fotokatalysatoren die ook het zichtbare spectrum van zonlicht zouden kunnen gebruiken, zouden ideaal zijn. Hier komt het werk van HZB-wetenschapper Tristan Petit en zijn samenwerkingspartners in DIACAT om de hoek kijken:Modellering van de energieniveaus in dergelijke materialen laat zien dat tussenstadia in de band gap kunnen worden ingebouwd door doping met vreemde atomen. boor, een driewaardig element, blijkt bijzonder belangrijk te zijn.

Petit en zijn team onderzochten daarom monsters van polykristallijne diamanten, diamantschuimen en nanodiamanten. Deze samples waren eerder gesynthetiseerd in de groepen van Anke Krüger in Würzburg en Christoph Nebel in Freiburg. Bij BESSY II. De onderzoekers gebruikten röntgenabsorptiespectroscopie om de onbezette energietoestanden te meten waarin elektronen mogelijk kunnen worden geëxciteerd door zichtbaar licht. "De booratomen die aanwezig zijn nabij het oppervlak van deze nanodiamanten leiden in feite tot de gewenste tussenstadia in de bandgap, " legt promovendus Sneha Choudhury uit, eerste auteur van de studie. Deze tussenstadia liggen meestal heel dicht bij de valentiebanden, en dus het effectieve gebruik van zichtbaar licht niet toelaten. Echter, uit de metingen blijkt dat dit ook afhangt van de structuur van de nanomaterialen.

"We kunnen dergelijke extra stappen in de bandgap van diamant introduceren en mogelijk controleren door specifiek de morfologie en doping aan te passen, ", zegt Tristan Petit. Doping met fosfor of stikstof zou ook nieuwe kansen kunnen bieden.