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Einfache Produktionsmethode für begehrte Nanokristalle

25.06.2013
Nanokristallines Cerdioxid (CeO2) wird vielseitig eingesetzt, angefangen von Katalysatoren bis hin zu Sonnencremes oder medizinischen Präparaten.

Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der University of New South Wales in Sydney, Australien, konnten erstmals den Wachstumsmechanismus beobachten und entdeckten so, wie man die Produktion dieses begehrten Nanomaterials erheblich vereinfachen kann. Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Chemistry – A European Journal“ (DOI: 10.1002/chem.201204101) nachzulesen.


Nanometergroße Cerdioxid-Kristalle (CeO2) werden in wässriger Lösung aus Ce(IV)-Polymeren (Dimeren und Trimeren) gebildet. Die Nanokristalle haben eine Größe zwischen zwei und drei Nanometern.
Bild: A. Ikeda-Ohno

Cer gehört zur Gruppe der Seltenerd-Metalle. Sein Oxid findet in nanokristalliner Form einen breiten industriellen Einsatz, beispielsweise für Elektroden in Brennstoffzellen oder in Katalysatoren von Kraftfahrzeugen, wo es giftiges Kohlenstoffmonoxid in Kohlenwasserstoffe umwandelt. Nicht zuletzt dient Ceroxid als Schleif- oder Poliermittel in der Halbleiterindustrie.

Mit aufwendigen Studien ist es den Wissenschaftlern Dr. Atsushi Ikeda-Ohno von der University of New South Wales, Australien, und Dr. Christoph Hennig vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf vor kurzem gelungen, ein vereinfachtes Konzept für die industrielle Synthese von nanokristallinem Cerdioxid zu entwickeln. „Hierzu mussten wir zunächst herausfinden, wie sich die Nanokristalle auf atomarer Ebene bilden“, erklärt Dr. Ikeda-Ohno. Ausgefeilte spektroskopische Methoden waren also gefragt. Zum Einsatz kam das brillante Röntgenlicht an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), der europäischen Synchrotronquelle im französischen Grenoble, und am japanischen Synchrotron SPring-8 in Hyogo.

Die Geburt metallischer Nanopartikel
Bisher war es nicht möglich, derartigen Nanokristallen direkt beim Wachsen zuzusehen, weil geeignete analytische Techniken fehlten. Typischerweise nutzte man hierfür unterschiedliche Elektronenmikroskope oder auch einen Röntgendiffraktometer und musste dazu die Nanokristalle von der Lösung abtrennen. Damit können zwar die Partikel selbst analysiert werden, nicht jedoch ihre Entstehung, welche in der Lösung abläuft. Dr. Ikeda-Ohno: „Wir haben verschiedene spektroskopische Techniken, wie z. B. dynamische Lichtstreuung, Röntgenabsorptions-Spektroskopie und Hochenergie-Röntgenstreuung kombiniert, und konnten erstmals die Formation von nanokristallinem Cerdioxid in einer wässrigen Lösung live beobachten.“

Diese Einblicke erlauben es, den Produktionsprozess von Cerdioxid grundlegend zu vereinfachen. Das Ergebnis: Wird der pH-Wert für vierwertiges Cer in wässriger Lösung richtig eingestellt, bilden sich gleichmäßige Nanopartikel von Cerdioxid. Eine physikalische oder chemische Nachbehandlung wie z. B. der Zusatz von Beschleunigersubstanzen kann entfallen. Die Forscher fanden auch heraus, dass die auf derart einfache Art produzierten Cerdioxid-Kristalle eine Größe von zwei bis drei Nanometern besitzen, und zwar weitgehend unabhängig von den konkreten Umgebungsbedingungen. Damit liegen die Nanopartikel genau in dem für industrielle Produkte interessanten Bereich. Als Schlüsselentdeckung werten sie zudem, dass vierwertiges Cer nur dann Cerdioxid-Kristalle im Nanometerbereich ausbildet, wenn es zuvor in der Lösung entweder als Dimer oder als Trimer vorliegt.

„Wir freuen uns besonders darüber, dass unser multispektroskopischer Ansatz auch sehr einfach auf jede andere Sorte metallischer Nanokristalle übertragen werden kann und wir so die Türen öffnen für deren weitere Erforschung“, sagt Dr. Christoph Hennig vom Dresdner Helmholtz-Zentrum. „Dafür bietet die eigene Messstation des HZDR an der ESRF allerbeste Voraussetzungen.“

Publikation:
A. Ikeda-Ohno u.a., Chem. Eur. J., 19(23), 7348-7360 (2013), DOI-Link: 10.1002/chem.201204101.
Das Fachmagazin „Chemistry – A European Journal“ widmete der Veröffentlichung das Titelbild.

Weitere Informationen:
Dr. Atsushi Ikeda-Ohno
School of Civil and Environmental Engineering
The University of New South Wales
UNSW, Sydney, New South Wales 2052, Australia
Tel.: +61 2 9385 0128
a.ikeda@unsw.edu.au

Dr. Christoph Hennig | Dr. Vinzenz Brendler
Institut für Ressourcenökologie im HZDR
Rossendorf Beamline an der ESRF/Grenoble
Tel.: +33 476 88 - 2005 | +49 351 260 - 3210
hennig@esrf.fr | v.brendler@hzdr.de

Medienkontakt:
Dr. Christine Bohnet
Pressesprecherin
Tel. 0351-260 2450 oder 0160 969 288 56 | c.bohnet@hzdr.de | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf | Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?

Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden Großgeräte mit einzigartigen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Das HZDR ist seit 2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte in Dresden, Leipzig, Freiberg und Grenoble und beschäftigt rund 1.000 Mitarbeiter – davon ca. 450 Wissenschaftler inklusive 160 Doktoranden.

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.hzdr.de

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