Engineering 3D hierarchical porous gold materials for plasmonic chemistry

Abstract

In der heutigen Zeit des rasch steigenden Energiebedarfs besteht die Notwendigkeit des Übergangs von fossilen Brennstoffen zu alternativen Energiequellen. Ein Weg, dies zu erreichen, ist Photokatalyse, die die Umwandlung von Sonnenlicht in chemisch verfügbare Energie ermöglicht. Die Implementierung solcher neuartigen Katalysatoren kann es uns ermöglichen, bisher unzureichend genutzte alternative Energiequellen zu erschließen.Plasmonische Materialien können ein breiteres Lichtspektrum im sichtbaren oder nahinfraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums nutzen. Die Energie, die aus daruas gewonnen wird, kann verwendet werden, um chemische Reaktionen anzutreiben und so eine solarbetriebene Katalyse zu ermöglichen.Plasmonische Katalysatoren werden häufig in Form von Nanopartikeln mit starker Lichtwechselwirkung und hoher Oberfläche realisiert, die jedoch schwer wiederverwendbar sind, oder in Form von Schichten auf 2D-Substraten, die zwar leichter wiederverwendbar sind, aber eine schwächere Lichtwechselwirkung und eine geringe Oberfläche aufweisen. Das Aufbringen einer katalytischen Schicht auf ein 3D-Gerüst würde starke Lichtwechselwirkung, große Oberfläche und Wiederverwendbarkeit kombinieren. Daher ist das Ziel dieser Arbeit die Etablierung einer neuen Klasse von 3D-plasmonischen Substraten, um die Einschränkungen der üblicherweise verwendeten Nanopartikel und 2D-plasmonischen Substrate zu überwinden.Diese Arbeit zielt darauf ab, die Wechselwirkung zwischen 3D-plasmonischer Strukturen und deren optischen und katalytischen Eigenschaften zu verstehen. Um eine mesoporöse Goldschicht zu erzeugen, die zur Plasmonkatalyse geeignet ist, wurde die soft template assisted Elektroreduktion von Gold-Precursor auf handelsüblichem Nickelschaum angewandt. Mithilfe von linearer Sweep-Voltammetrie wurde ein geeignete Abscheidungspotenzial ermittelt, und die Abscheidungszeit wurde variiert, um deren Einfluss auf die elektrochemische Oberfläche und verbundene Eigenschaften zu untersuchen. Verschiedene analytische Methoden wurden eingesetzt, um die Porenmorphologie, die Porengrößenverteilung und die Oberfläche zu charakterisieren. Dazu gehörten Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie (REM und TEM) sowie die Bestimmung der elektrochemischen Oberfläche durch zyklische Voltammetrie. Zur Untersuchung der optischen Eigenschaften wurden UV/Vis-Reflexionsmessungen durchgeführt.Zusammenfassend wurde ein neuartiges Substrat dreidimensionaler plasmonischer Materialien entwickelt, die zur Nutzung von sichtbarem und nahinfrarotem Licht geeignet sind. Diese Materialien sind vielversprechend für die Weiterentwicklung neuer katalytischer und sensorischer Systeme, die auf 3D-Plasmonenanregung basieren.

In the current era of rapidly increasing energy demand, there is need for transition from fossil fuels to alternative energy sources. One way to do so is photocatalysis enabling the transformation of solar power into chemically available energy. Implementation of such novel catalysts can enable us to tap on now underutilized alternative energy sources.Plasmonic materials can utilize a wider range of light in the visible or near infrared regime of the electromagnetic spectrum. The energy derived from excited plasmons can be used to drive chemical reactions making solar driven catalysis feasible.Plasmonic catalysts are often realized in form of nanoparticles with strong light interaction and high surface area but lack reusability or catalytic layers on 2D substrates which are easier reusable but have weaker light interaction and low surface area. Depositing a catalytic layer onto a 3D framework would combine strong light interaction, high surface area and reusability. Therefore, the objective of this work is to establish a new class of 3D plasmonic substrates for overcoming limitation of commonly used nanoparticles and 2D plasmonic substrates in catalysis.This thesis aims at understanding the interconnection of 3D plasmonic structure, optical and catalytic properties. To facilitate a mesoporous gold layer capable of plasmon catalysis, soft template assisted electroreduction of Au precursor was employed on commercially available nickel foam. Linear sweep voltammetry was used to find appropriate deposition potential and deposition time was varied to study its effect on electrochemical surface area and connected properties. A variety of analytical techniques were used to examine the pore morphology, pore size distribution, and surface area. This included scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM) and Electrochemical surface area evaluation via cyclic voltammetry. To study the optical properties, UV/Vis reflectance measurements were conducted. In conclusion, a new type of three-dimensional plasmonic materials suitable for utilization of visible and near-infrared light was successfully developed. These materials are promising for the further development of new catalytic and sensing systems based on 3D plasmon excitation.