Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Sauerstoff mag Metalloxid-Kanten

09.04.2014

Experimente an der TU Wien konnten das Verhalten von Elektronen an winzigen Stufen auf Titanoxid-Oberflächen erklären. Wichtig ist das für bestimmte Solarzellen und für Katalysatoren.

Es kommt in Zahnpasta genauso vor wie in Solarzellen oder chemischen Katalysatoren: Titanoxid (TO2) ist ein Material mit vielen Einsatzmöglichkeiten.


Winzige Stufen auf Titanoxid-Oberflächen

TU Wien


Jiri Pavelec, Gareth Parkinson, Benjamin Daniel, Martin Setvin (v.l.n.r)

TU Wien

Obwohl es so oft verwendet wird, ist das Verhalten von Titanoxid-Oberflächen noch immer für Überraschungen gut: Prof. Ulrike Diebold konnte nun mit ihrem Team vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien klären, warum sich Sauerstoffatome so gern an winzigen Kanten auf der Oberfläche von Titanoxid anlagern:

Genau dort können sich Elektronen ansammeln, die dem Sauerstoff das Andocken ermöglichen. Bei Solarzellen möchte man genau diesen Effekt vermeiden, für Katalysatoren hingegen kann das eine höchst erwünschte Reaktion sein, die sich nun ganz gezielt einsetzen lässt.

Mikroskopbilder von Titanoxid-Oberflächen

Titanoxid ist Ulrike Diebolds Lieblingsmaterial – für ihre aktuelle Publikation hat sie das Verhalten von Titanoxid-Oberflächen mit Rastertunnelmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie untersucht.

Titanoxid kann für Solarzellen eingesetzt werden. In einem nicht besonders effizienten aber sehr billigen Typ, der sogenannten Grätzel-Zelle, spielt es die zentrale Rolle. „In Solarzellen sollen sich Elektronen frei bewegen können und sich nicht irgendwo an einem bestimmten Atom festsetzen“, erklärt Martin Setvin, Erstautor des Papers, das nun im Fachjournal „Angewandte Chemie“ erschien.

Umgekehrt ist es allerdings für manche Katalysatoren wichtig, dass sich Elektronen an Atomen der Oberfläche binden. Denn nur wo ein zusätzliches Elektron sitzt kann ein Sauerstoff-Atom an die Titanoxid-Oberfläche ankoppeln und dann für chemische Reaktionen genutzt werden.

Elektronen verbiegen das Kristallgitter

Dieses Festsetzen der Elektronen an einem bestimmten Atom der Oberfläche benötigt normalerweise aber einen beträchtlichen Energieaufwand. „Wenn sich ein Elektron an einem Titanatom lokalisiert, dann ändert sich die elektrische Ladung des Titanatoms, und aufgrund elektrostatischer Kräfte entsteht dann eine Verbiegung im Titanoxid-Kristallgitter“, sagt Ulrike Diebold. Um diese Verbiegung zu erzeugen, muss Energie aufgewendet werden – deshalb geschieht das normalerweise nicht.

Allerdings ist die Oberfläche von Titanoxid niemals völlig eben. Auf mikroskopischer Ebene entstehen winzige Stufen und Kanten – oft nur eine einzige Atomlage dick. Genau an diesen Kanten können sich Elektronen sehr leicht anlagern. Die Titanatome direkt an der Kante haben nur an einer Seite Nachbarn, sie lösen daher kaum elektrostatische Verbiegungen im Inneren des Kristallgitters aus, wenn sie durch die Aufnahme eines Elektrons ihren Ladungszustand ändern. „Tatsächlich können wir feststellen, dass genau an diesen Stellen der Sauerstoff andockt“, berichtet Diebold.

Bessere Solarzellen, wirkungsvollere Katalysatoren

Daraus lassen sich nun für die technologische Verwendung von Titanoxid verschiedene Schlüsse ziehen: Für photovoltaische Einsatzbereiche muss man solche Kanten eher vermeiden, für Katalysatoren bietet die Erkenntnis aber tolle neue Chancen. Man könnte Oberflächen ganz gezielt so mikrostrukturieren, dass möglichst viele Kanten entstehen und die Oberfläche dadurch chemisch noch viel reaktiver wird als sonst.

Rückfragehinweise:

Prof. Ulrike Diebold
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8
M: +43-664-605883467
ulrike.diebold@tuwien.ac.at

Martin Setvin, PhD
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8
T: +43-1-58801-13470
martin.setvin@tuwien.ac.at

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41027
florian.aigner@tuwien.ac.at

Weitere Informationen:

http://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2014/tio2/ Bilderdownload
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201309796/abstract Originalpublikation

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quanten-Boten kommunizieren doppelt so schnell
22.02.2018 | Österreichische Akademie der Wissenschaften

nachricht Highlight der Halbleiter-Forschung
20.02.2018 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Im Focus: Developing reliable quantum computers

International research team makes important step on the path to solving certification problems

Quantum computers may one day solve algorithmic problems which even the biggest supercomputers today can’t manage. But how do you test a quantum computer to...

Im Focus: Innovation im Leichtbaubereich: Belastbares Sandwich aus Aramid und Carbon

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer Gesellschaft. Besonders in der Luftfahrtindustrie und in anderen Transportbereichen sind Leichtbaustrukturen gefragt. Sie ermöglichen Energieeinsparungen und reduzieren den Ressourcenverbrauch bei Treibstoffen und Material. Zum Einsatz kommen dabei Verbundmaterialien in der so genannten Sandwich-Bauweise. Diese bestehen aus zwei dünnen, steifen und hochfesten Deckschichten mit einer dazwischen liegenden dicken, vergleichsweise leichten und weichen Mittelschicht, dem Sandwich-Kern.

Aramidpapier ist ein etabliertes Material für solche Sandwichkerne. Sein mechanisches Strukturversagen ist jedoch noch unzureichend erforscht: Bislang fehlten...

Im Focus: Die Brücke, die sich dehnen kann

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort...

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

Tag der Seltenen Erkrankungen – Deutsche Leberstiftung informiert über seltene Lebererkrankungen

21.02.2018 | Veranstaltungen

Digitalisierung auf dem Prüfstand: Hochkarätige Konferenz zu Empowerment in der agilen Arbeitswelt

20.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Von Hefe für Demenzerkrankungen lernen

22.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Sektorenkopplung: Die Energiesysteme wachsen zusammen

22.02.2018 | Seminare Workshops

Die Entschlüsselung der Struktur des Huntingtin Proteins

22.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics