Syntheseentwicklung und Prozessuntersuchung zum kontrollierten Goldwachstum an Kupfersulfid-Nanoplättchen

Abstract

Der Kenntnisstand über nanoskopische Kupfersulfid-Gold-Hybridstrukturen hat sich in den letzten Jahren deutlich erweitert, weshalb diese Materialkombination bereits in vielen verschiedenen Bereichen wie der Biomedizin, der Katalyse und der Optoelektronik erfolgreich zum Einsatz kommt. Insbesondere für die photokatalytische Wasserspaltung und den photochemischen Abbau von chemischen Karzinogenen sind neben der Materialauswahl auch die effektive Ladungstrennung und die gute Zugänglichkeit der einzelnen Ladungsträger in den Hybridstrukturen relevant. Aus diesem Grund sollte auch die Morphologie der Hybridstruktur sorgfältig ausgewählt werden, um eine maximale Effizienz zu erzielen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde zu diesem Zweck eine Synthesemethode für die Herstellung von Kupfersulfid-Gold-Hybridstrukturen konzipiert und der Syntheseprozess im Detail untersucht. Die Hauptaufgabe bei der Entwicklung der Synthesemethode bestand darin, sicherzustellen, dass das Goldwachstum ausschließlich als sphärische Nanopartikel auf den Seitenflächen von zweidimensionalen Halbleiternanostrukturen erfolgt, sodass eine optimale Ladungsseparation in diesen Strukturen für spätere Anwendungen gewährleistet ist. Im Vordergrund stand dabei die Erzeugung von Hybridstrukturen mit Kupfersulfid-Nanoplättchen, die in der Covellit-Modifikation vorliegen. Zur Herstellung der Hybridstrukturen wurden zunächst die Nanoplättchen durch einen nasschemischen Herstellungsansatz synthetisiert und mittels verschiedener Untersuchungsmethoden wie Transmissionselektronenmikroskopie, Pulverröntgendiffraktometrie sowie energiedispersive Röntgen-, Raman- und UV/Vis/NIR-Spektroskopie charakterisiert. Im Anschluss wurden zur Realisierung der Hybridstruktur nacheinander Oleylamin, Oxalsäure Dihydrat und Tetrachlorogoldsäure Trihydrat bei Raumtemperatur unter Lichtausschluss und Stickstoffatmosphäre zu den Nanoplättchen gegeben. Durch die Variation der Mengen der einzelnen Komponenten konnten nicht nur Veränderungen in der Morphologie der Hybridstrukturen nachgewiesen werden, sondern auch die Rolle der jeweiligen Komponenten aufgezeigt werden. Durch eine Kombination aus hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie, Rastertransmissionselektronenmikroskopie, Raman- und Röntgenphotoelektronenspektroskopie an Hybridstrukturen, die mit unterschiedlichen Reaktionszeiten hergestellt wurden, konnte ein detailliertes Verständnis des zugrundeliegenden selektiven Goldwachstums an den Covellit-Nanoplättchen erhalten werden.

The knowledge of nanoscopic copper sulfide-gold-hybrid nanostructures has increased significantly in recent years, leading to the successful use of this material combination in many different fields such as biomedicine, catalysis, and optoelectronics. Especially for photocatalytic applications like water splitting and photochemical degradation of chemical carcinogens, not only the choice of materials but also the effective charge separation and good accessibility of the individual charge carriers in the hybrid structures are important. For this reason, the morphology of the hybrid structure should also be carefully selected to achieve maximum efficiency.

In this work, a synthesis method for the production of copper sulfide-gold hybrid structures was developed, and the synthesis process was investigated in detail. The main goal in developing the synthesis method was to ensure that gold growth only occurs as spherical nanoparticles on the side surfaces of the two-dimensional semiconductor nanostructures and not on the large basal surfaces, to achieve optimal charge separation on these structures for future applications. The main focus was on the production of hybrid structures with copper sulfide nanoplatelets in the covellite modification. For the production of these structures, the nanoplatelets were first synthesized by a wet chemical fabrication approach and characterized by different investigation methods such as transmission electron microscopy, powder X-ray diffraction analysis, as well as Raman-, UV/Vis/NIR-, and energy-dispersive X-ray spectroscopy. Subsequently, oleylamine, oxalic acid dihydrate, and tetrachloroauric acid trihydrate were successively added to the nanoplatelets at room temperature under nitrogen atmosphere and light exclusion to produce the hybrid structure. By varying the amounts of each component, not only changes in the morphology of the hybrid structures could be observed, but also the role of each component could be demonstrated. A combination of high-resolution transmission electron microscopy, scanning transmission electron microscopy, Raman- and X-ray photoelectron spectroscopy on hybrid structures prepared at different reaction times allowed a detailed understanding of the selective gold growth on the covellite nanoplatelets.