Gold-Nanostäbchen durch Lichtenergie aufladen

Einer Forschungsgruppe der Universität Potsdam ist es erstmals gelungen, die lichtgetriebene Ansammlung elektrischer Ladungen auf Gold-Nanostäbchen in Echtzeit spektroskopisch zu verfolgen und zu quantifizieren. Ein neues physikalisches Modell dieses Vorgangs, das die Nanopartikel als Kondensatoren beschreibt, ist für die Entwicklung nachhaltiger Verfahren zur CO₂-Reduktion, Wasserspaltung und Umwandlung von Solarenergie relevant. Die Publikation „Capacitive photocharging of gold nanorods“ ist bei Nature Communications erschienen und wurde als „Editor's Highlight“ ausgezeichnet.

Gold-Nanostäbchen sind vielversprechende Fotokatalysatoren, die mit Lichtenergie chemische Reaktionen antreiben können – etwa die Umwandlung von CO₂ in nutzbare Brennstoffe oder die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser. Die Nanostäbchen wirken dabei wie winzige Antennen, die Licht einfangen und in kollektive Schwingungen ihrer Elektronen umwandeln. Während dieses Vorgangs können die Partikel elektrisch aufgeladen werden. Ein Forschungsteam der Universität Potsdam um den Physiker Dr. Wouter Koopman hat nun erstmals direkt beobachtet, wie sich dieser Ladevorgang abspielt, und ein Modell entwickelt, das die zugrundeliegenden Prozesse beschreibt. Die Ergebnisse ebnen den Weg für die gezielte Steuerung von lichtgetriebenen chemischen Reaktionen und katalytischer Systeme. Diese sind perspektivisch vielfältig nutzbar – von solarbetriebenen chemischen Reaktoren bis hin zu neuartigen Energiespeichern.

Die Fotoaufladung ist ein zentraler, aber bisher schwer fassbarer Prozess in der Fotokatalyse mit nanoskaligen Metallteilchen: Unter Bestrahlung kann sich überschüssige Ladung ansammeln, die die katalytischen Eigenschaften maßgeblich beeinflusst. Das Team konnte nun in einer In-situ-Studie den Effekt direkt beobachten und zeigen, dass Gold-Nanostäbchen unter Lichteinfluss wie „photochemische Kondensatoren“ wirken: Sie speichern Elektronen an ihrer Oberfläche. Durch das große Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis kann sich dabei auf kleinstem Raum eine große Ladung ansammeln, wodurch sich ihre optischen und chemischen Eigenschaften deutlich verändern.

„Wir konnten direkt nachweisen, dass Licht allein ausreicht, um zwischen einem einzelnen Nanopartikel und seiner Umgebung elektrische Spannungen zu erzeugen", erklärt Dr. Felix Stete, Hauptautor der Studie. Wenn Licht absorbiert wird, entstehen Elektron-Loch-Paare. Die Löcher werden an umgebende Moleküle – etwa Ethanol – übertragen, während die Elektronen auf dem Partikel verbleiben. „Unsere Teilchen verhalten sich quasi wie nanometergroße Elektrolyseure, also wie Geräte, die mithilfe von Strom Wasser in H₂ und O₂ zerlegen“, so Wouter Koopman, „nur, dass diese keine äußere, elektrische Spannungsquelle benötigen.“ Damit liefern die Wissenschaftler einen neuen physikalischen Rahmen, um lichtgetriebene chemische Reaktionen besser zu verstehen und zu optimieren.

Die Arbeit wurde im Rahmen des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanzierten Sonderforschungsbereich SFB 1636 „Elementare Prozesse lichtgetriebener Reaktionen an nanoskaligen Metallen“ durchgeführt.

Link zur Publikation: Stete, F., Bargheer, M. & Koopman, W. Capacitive photocharging of gold nanorods. Nat Commun 17, 139 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67130-8

Abbildung: Gold-Nanostäbchen mit umgebenden Wasser- und Ethanolmolekülen. Beleuchten der Nanostäbchen erzeugt eine Fotospannung. Durch diese können die Stäbchen Elektronen des umgebenden Ethanols und Wassers abziehen, wodurch es zur Elektronenansammlung auf den Stäbchen kommt (blaue Kugeln). Bild: Dr. Felix Stete

Kontakt:
Dr. Wouter Koopman, Institut für Physik und Astronomie
Tel.: 0331/977-5723
E-Mail: wouter.koopman@uni-potsdam.de

Medieninformation 15-01-2026 / Nr. 005

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