Plasmonic nanodisk metamaterial photocatalyst sheets for photocatalytic applications

Ku, Benny; Schneider, Jochen M.; Lemme, Max C.

doi:HT031583701

Plasmonic nanodisk metamaterial photocatalyst sheets for photocatalytic applications

Ku, Benny^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Benny Ku, M. Sc. RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Lemme, Max C. (Thesis advisor)^RWTH* ; Schneider, Jochen M. (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-09-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-08329
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1041051/files/1041051.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (618710)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Halbleiter (frei) ; Metamaterial (frei) ; Photokatalyse (frei) ; Plasmonik (frei) ; metamaterial (frei) ; photocatalysis (frei) ; plasmonic (frei) ; semiconductor (frei) ; solar fuels (frei) ; solare Brennstoffe (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Photokatalyse ist ein vielversprechender Ansatz zur Nutzung von Solarenergie zur Ausführung chemischer Reaktionen, bei dem Licht in chemische Energie umgewandelt wird. Die Erzeugung von solaren Brennstoffen oder die Degradation von Verunreinigungen im Wasser sind wichtige photokatalytische Anwendungen, da sie zur Bereitstellung von Energie und sauberen Wasserressourcen beitragen können. Beispielsweise wandelt die photokatalytische Wasserspaltung Wasser in seine Einzelkomponenten H2 und O2 um. Darüber hinaus ermöglicht die photokatalytische CO2-Reduktion die Erzeugung einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffen wie z.B. CH4. Schließlich kann die Photokatalyse genutzt werden um schädliche chemische und bakterielle Verunreinigungen in Wasser durch die Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (engl. Reactive Oxygen Species, ROS), was eine chemikalienfreie Reinigungsmethode ermöglicht, die ausschließlich auf der Nutzung von Sonnenlicht beruht. Photokatalytische Materialien sind meist nanostrukturierte Kompositmaterialien auf Basis von Halbleitern und Metallen. Innerhalb des Festkörpers führt Lichteinwirkung zu photoangeregten Ladungsträgern und deren Trennung, wodurch frei bewegliche Elektronen und Löcher entstehen. Beide Ladungsträger können zu photokatalytischen Reaktionen beitragen, sofern bestimmte Redoxpotentiale erreicht werden. Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung photokatalytischer Materialien ist die Integration plasmonischer Nanostrukturen. Diese fungieren als Nanoantennen, die einfallendes Licht einschließen und durch Plasmonenresonanz verstärkte elektrische Felder erzeugen. Dieser plasmonische Effekt schafft hoch-energetische Zustände für die Ladungsträger, um Redoxreaktionen auszulösen, und kann zudem die photokatalytische Funktionalität in den sichtbaren Wellenlängenbereich erweitern. Photokatalysatoren in Form planarer Platten sind aufgrund ihrer potenziellen Skalierbarkeit, Effizienz, Stabilität und modularen Montierbarkeit vorteilhaft. Diese Dissertation untersucht die Entwicklung und Optimierung eines Designs von einer plasmonischen Nanodisk-Metamaterial-basierten photokatalytischen Platten für Wasserspaltung, CO2-Reduktion und Bakterieninaktivierung. Das Grunddesign besteht aus einer periodisch-angeordneten plasmonischen Nanodisks auf einer TiO2-Dünnschicht. Dieser wird im Lauf der Arbeit durch 2D-Materialien weiter modifiziert. Im ersten Teil der Arbeit werden Nanodisk-Materialien auf Basis von Ag, Au, Pt und Pd hinsichtlich ihrer Eigenschaften zur Wasserspaltung und CO2-Reduktion verglichen und getestet. Die photokatalytischen Experimente wurden in einem speziell konstruierten Reaktor unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht durchgeführt. Die höchsten H2- und CH4-Erzeugungsraten wurden mit Pt/TiO2 bzw. Pd/TiO2 mit bis zu 37.63 mmol/gh H2 und 5.68 mmol/gh CH4 erreicht. Teile dieser Arbeit wurden auf der 48th International Micro and Nano Engineering Conference (MNE 2022) und dem European Material Research Society (E-MRS) 2025 Spring Meeting präsentiert. Zudem wurde eine Patentanmeldung zum Schutz des geistigen Eigentums (engl. Intellectual Property, IP) des Metamaterial-Photokatalysator-Designs eingereicht, sowie zwei weitere Patentanmeldungen für technologische Konzepte zur Erweiterung dieser Arbeit. Eine Publikation in einer wissenschaftlichen Zeitschrift zu dieser Arbeit ist in Vorbereitung. Der zweite Teil der Arbeit demonstriert ein angepasstes Design der Meta-Oberfläche. Diese Studie untersucht Modifikationen mit Graphen (Gr) auf der Pd/TiO2-Meta-Oberfläche. Bei der ersten Modifikation wurden Gr-Lagen mittels nass-transfer auf die Meta-Oberfläche übertragen, was zu einer hängenden Gr-Lage führte. Bei der zweiten Modifikation wurden Carbon Black Schichten direkt auf der Meta-Oberfläche gewachsen um bulk-ähnliche Eigenschaften zu zeigen. Durch die hängende Gr-Lage erhöhte sich die Reaktivität signifikant um 305% in der H2- und um 49% in der CH4-Gasausbeute. Die Ergebnisse belegen die Vorteile von Gr in der Photokatalyse aufgrund ihrer hohen Ladungsträgermobilität und Reaktivität. Zudem bilden die zwischen Pd-Nanodisks hängenden Gr-Lagen eine spezifische elektronische Konfiguration aus, die den Gr-Pd-Kontaktbereich zu einem Reaktionszentrum macht. Eine Publikation in einer wissenschaftlichen Zeitschrift zu dieser Arbeit ist in Vorbereitung. Der letzte Teil der Arbeit untersucht die MoS2-Modifikation der Pd/TiO2-Metamaterialien zur Inaktivierung von Escherichia coli (E. coli)-Bakterien. Die Ergebnisse zeigen, dass alle MoS2-Modifikationen die Inaktivierungsergebnisse verbessern, wobei dünnere MoS2-Schichten die besten Resultate mit bis zu 99.92% Inaktivierung aufgrund einer optimierten Typ-II-Heteroübergangskonfiguration erzielen. Eine Publikation in einer wissenschaftlichen Zeitschrift zu dieser Arbeit ist in Vorbereitung. Diese Dissertation zeigt das Prinzip effizienter und potenziell skalierbarer, anwendungsorientierter Photokatalysator-Designs für Wasserspaltung, CO2-Reduktion und Bakterieninaktivierung. Sie demonstriert die Synergie von plasmonischen Metallen, 2D-Materialien und Halbleiteroxiden als Metamaterialstrukturen in Photokatalytischen-Platten. Eine Publikation in einer wissenschaftlichen Zeitschrift als Perspective Paper zu Metamaterial-basierten Photokatalysator-Platten für die Erzeugung von solaren Brennstoffe ist in Vorbereitung.

Photocatalysis is a promising approach for harnessing solar energy to drive chemical reactions, converting light into chemical energy. Solar fuel generation or water purification are impactful photocatalytic applications as they can contribute to providing energy and clean water resources. Notably, photocatalytic water splitting converts water into its single component H2 and O2. Moreover, photocatalytic CO2 reduction allows generating a broad range of hydrocarbons, such as CH4. Lastly, photocatalysis decomposes harmful chemical and bacterial contaminants in water by generating reactive oxygen species (ROS), enabling a chemical-free cleaning method that only relies on sunlight. Photocatalytic materials are most commonly nanostructure composites based on semiconductors and metals. When exposed to light, photo-excited carriers undergo charge carrier separation, resulting in free-moving electrons and holes. These charge carriers can contribute to photocatalytic reactions once specific redox potentials are met. One promising strategy to enhance photocatalytic materials is the integration of plasmonic nanostructures. These function as nano-antennas that confine incoming light, leading to amplified electric fields through plasmon resonance. This plasmonic effect creates high-energetic states for the charge carriers to trigger redox reactions but can also extend the photocatalytic functionality toward the visible light spectrum. Photocatalysts in the form of planar sheets are favorable because of their potential scalability, efficiency, durability, and modular mountability. This thesis explores the development and optimization of a plasmonic nanodisk metamaterial photocatalyst sheet design for water splitting, CO2 reduction, and bacterial inactivation. The base design consists of a periodically arranged plasmonic nanodisk array on a TiO2 thin film, which is further modified by 2D materials. In the first part of the thesis, nanodisk materials based on Ag, Au, Pt, and Pd are compared and tested regarding their water splitting and CO2 reduction properties. The photocatalytic experiments were conducted in a custom-built reactor under visible light illumination. The highest H2 and CH4 generation were achieved under Pt/TiO2 and Pd/TiO2 with rates up to 37.63 mmol/gh H2 and 5.68 mmol/gh CH4, respectively. Part of this work was shown at the 48th International Micro and Nano Engineering Conference (MNE 2022) and the European Material Research Society (E-MRS) 2025 Spring Meeting. Moreover, one patent application was filed to secure the intellectual property (IP) of the metamaterial photocatalyst sheet design, alongside two further patent applications for technological concepts to expand this work. A publication in a scientific journal for this work is under preparation. The second part of the thesis demonstrates an adjusted metasurface design. This study explores graphene (Gr) modifications on the Pd/TiO2-metasurface. For one modification, Gr was wet-transferred to the metasurface, resulting in a suspended Gr layer. In the other modification, carbon black layers were directly grown on the metasurface to show bulk-like properties. Once modified with the suspended Gr layer, the reactivity is significantly enhanced by 305% in H2 and 49% in CH4 gas yield rate. The results prove the advantages of Gr layers in photocatalysis due to their high carrier mobility and reactivity. Moreover, the Gr layers suspended between Pd nanodisks create a specific electronic configuration, turning the Gr-Pd contact region into a favorable reaction center. A publication in a scientific journal for this work is in preparation. The final study investigates the MoS2-modification of the Pd/TiO2 metamaterial for Escherichia coli (E. coli) bacteria inactivation. The study reveals that all MoS2 modifications improve inactivation outcomes, with thinner MoS2 showing the best results, with up to 99.92% inactivation due to an optimized type-II heterojunction. A publication in a scientific journal for this work is under preparation. This work shows the proof-of-principle of efficient and potentially scalable application-oriented photocatalyst sheet designs for water splitting, CO2 reduction, and bacterial inactivation. It demonstrates the synergy of combining plasmonic metals, 2D materials, and semiconductor oxides as metamaterial structures in photocatalyst sheets. A publication in a scientific journal as a perspective paper about metamaterial photocatalyst sheets for solar fuel generation is under preparation.

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