Increasing global energy demand drives the development of clean energy sources that will help reduce the consumption of fossil fuels. Solar energy can be converted to chemical energy via artificial photosynthesis but this requires photocatalytic material with low cost and high efficiency. Carbon nanomaterials that can be used either as photocatalysts or as photoabsorbers, have attracted attention as cheap and stable nonmetal nanomaterials with tunable electronic properties. In this dissertation, two typies of carbon nanomaterials, carbon dots and polymeric carbon nitride have been studied with a strong focus on the influences of surface chemistry and heteroatom dopants on their electronic and chemical properties. To this aim, a variety of spectroscopic techniques, with incident energies ranging from soft X-ray, ultraviolet to infrared, have been employed. The first experimental report on electronic structure of carbon dots studied by synchrotronbased X-ray absorption and emission spectroscopies is presented in this work. The chargetransfer between carbon dots and water has been further studied using in-situ X-ray spectroscopy. The modification on the surface chemistry induced by water and the hydrogen bonding environment of carbon dots dispersion have been also probed by in-situ infrared spectroscopy. The influence on their fluorescence and photocatalytic applications are then analyzed on the basis of experimental results. For polymeric carbon nitride photocatalyst, particular attention was given to the influence of heteroatoms doping on their electronic structure. Using advanced characterization techniques, the dopant species, and changes of band-gap structure are revealed. Finally, an example of the structure-performance relationship study was presented on highly efficient polymeric carbon nitride photocatalysts. This research highlights how advanced spectroscopy techniques may open new perspective for deeper understanding of carbon nanomaterials, especially carbon dots and polymeric carbon nitride. Furthermore, promising pathways to achieve more effective carbon nanomaterials for energy applications are also provided.
Der steigende weltweite Energieverbrauch fördert die Entwicklung von sauberen Energiequellen, wodurch der Verbrauch an fossilen Brennstoffen reduziert wird. Durch künstliche Photosynthese kann Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt werden, aber dafür werden preiswerte Photokatalysatoren mit hoher Effizienz benötigt. Kohlenstoffnanomaterialien sind preiswerte, stabile und Metall-freie Nanomaterialien mit durchstimmbaren elektronischen Eigenschaften, die entweder als Photokatalysatoren oder als Photoabsorber genutzt werden können. Für diese Dissertation wurden zwei Familien von Kohlenstoffnanomaterialien untersucht, nämlich sogenannte „carbon dots“ und polymerisches Carbonitrid, wobei ein große Aufmerksamkeit darauf gerichtet wurde, inwiefern die elektronischen und chemischen Eigenschaften durch die Oberflächenchemie und die Dotierung mit Heteroatomen beeinflusst werden. Dafür wurde eine Vielzahl an spektroskopischen Methoden angewendet, bei der die Anregungsenergie des einfallenden Lichts vom weichen Röntgenbereich über ultraviolett bis hin zu infrarot variierte. Diese Arbeit stellt den ersten experimentellen Bericht über die elektronische Struktur von „carbon dots“, die mittels Synchrotron-basierter Röntgenabsorptions- und Röntgenemissionsspektroskopie untersucht wurde. Weiterhin wurde der Ladungstransfer zwischen „carbon dots“ und Wasser mit Hilfe von in-situ Röntgenspektroskopie untersucht. Auch die Veränderungen an der Oberfläche von „carbon dots“, die durch Wasser und Wasserstoffbrückenbindungen hervorgerufen werden, wurden mittels in-situ IR-Spektroskopie untersucht. Der Einfluss auf ihre Fluoreszenzeigenschaften und photokatalytische Anwendungen wurden auf Basis dieser experimentellen Ergebnisse analysiert. Bei polymerischem Carbonitrid wurde der Einfluss von Dotierung mit Heteroatomen auf die elektronische Struktur genauer untersucht. Mit Hilfe fortschrittlicher Charakterisierungstechniken werden die Dotierungsspezies und Veränderungen in der Struktur der Bandlücke aufgedeckt. Anhand von hocheffizienten Photokatalysatoren aus polymerischem Carbonitrid wurde die Struktur-Performance-Beziehung untersucht. Diese Doktorarbeit zeigt auf, wie fortgeschrittene Spektroskopiemethoden neue Perspektiven für ein tieferes Verständnis von Kohlenstoffmaterialien eröffnen können, insbesondere von „carbon dots“ und polymerischem Carbonitrid. Darüber hinaus beleuchtet sie deren vielversprechendes Potential für Energieanwendungen.
