Plasmonische (Edelmetall-) Nanopartikel erlauben einen photokatalytischen Abbau von Schadstoffen. Dieser Effekt wurde für die Reduktion des Modellmoleküls Methylenblau mit verschiedenen Nanopartikelarten untersucht. Dabei haben sich insbesondere formanisotrope und bimetallische Partikel als sehr effizient erwiesen.

Schadstoffe anthropogenen Ursprungs können eine signifikante Bedrohung für unsere Umwelt und Gesundheit darstellen. Deswegen sind effiziente Methoden für den gezielten Abbau dieser Stoffe von hoher sozioökonomischer Relevanz. Durch ihre besonderen optischen Eigenschaften eignen sich gerade plasmonische Nanopartikel für solche Anwendungen. Nanoskalige Edelmetallnanopartikel (z. B. aus Gold und Silber) zeigen eine starke Absorptionsbande im sichtbaren spektralen Bereich des Sonnenlichts. Diese Absorptionsbande der sogenannten lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) wird durch die kollektive Schwingung der Leitungselektronen in den nanoskaligen Partikeln verursacht, bei entsprechender Resonanz des einfallenden Licht. Gold-Nanosphären zeigen ein Resonanzmaximum vergleichbar mit dem Lichtintensitätsmaximum des Sonnenlichts bei ca. 500 nm. Das katalytische Potential von plasmonischen Nanopartikeln wurde für die Reduktion von Methylenblau zu Leukomethylenblau in Lösung getestet. Dabei erfolgt am Nanopartikel ein Elektronenübergang vom Reduktionsmittel Natriumborhydrid auf das Methylenblau, der Abbau des Methylenblaus konnte dabei spektroskopisch detektiert werden. Die untersuchten Nanopartikel unterschieden sich in Form und Materialzusammensetzung. Goldsphären, -würfel, -prismen und -stäbchen sowie Stäbchen mit Palladium- und Platinhülle wurden hier getestet. Im Vergleich zu den Referenzproben ohne Partikel ergab sich generell eine Umsatzerhöhung, damit konnte bei allen Nanopartikeln ein katalytischer Effekt nachgewiesen werden. Insbesondere die formanisotropen und bimetallischen Partikel zeigten höheren Umsatz. Dieser war nicht von der Partikelfläche abhängig, sondern primär von der Partikelgeometrie. Je eckiger und kantiger ein Nanopartikel ist, desto höher ist dessen Katalyse-Effizienz. 

Den höchsten Umsatz zeigten Goldnanoprismen mit Spitzen und scharfen Kanten, danach folgten Würfel und Stäbchen. An den Ecken bilden sich durch Feldverstärkung sogenannte Hotspots für das elektrische Feld. Beim Vergleich von Gold und bimetallischen Nanostäbchen zeigte sich, dass die Zugabe des katalytisch aktiven zweiten Metalls Platin oder Palladium als Hüllenmaterial den Farbstoffabbau beschleunigt. Die Geschwindigkeitskonstanten der Abbaureaktion waren höher als bei den reinen Gold-Nanostäbchen. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die katalytische Aktivität von Nanopartikeln und helfen bei der Entwicklung weiterer katalytischer Anwendungen. Die Arbeitsgruppe Molekulare Plasmonik beschäftigt sich seit über 20 Jahren mit dem Design und der Herstellung formanisotroper und bimetallischer plasmonischer Nanopartikel und der Untersuchung deren Potential für Bioanalytik und Katalyse. 

Gefördert durch:
Deuche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Projektpartner:
TU Ilmenau

Im Bild oben:
Schema des photokatalytischen Abbaus des Modellschadstoffs Methylenblau in Anwesenheit von Natriumborhydrid