Wenn Sauerstoff an der Titandioxid-Oberfläche fehlt

Video29. August 2013, 20:00
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Physikerin zeigt Wichtigkeit "geheilter" Lücken für chemische Eigenschaften des Minerals

Wien - Titandioxid wird bereits in vielen Produkten eingesetzt, etwa als weißes Farbpigment in Wandfarbe, als UV-Schutz in Sonnencreme oder als bio-verträgliche Beschichtung von Implantaten. Dass Sauerstoff an der Oberfläche des Materials eine wichtige Rolle für viele seiner interessanten Eigenschaften spielt, ahnte man bereits aus theoretischen Berechnungen. Die Wiener Physikerin Ulrike Diebold hat nun erstmals experimentell die Wechselwirkungen einzelner Sauerstoff-Moleküle an der Titandioxid-Oberfläche beobachtet. Ihre Forschungsergebnisse sind im Journal "Science" erschienen.

Erfolg langjähriger Zusammenarbeit

Die diesjährige Wittgenstein-Preisträgerin Diebold, Professorin für Oberflächenphysik an der Technischen Universität (TU) Wien, führt den Erfolg ihrer Arbeit auf die langjährige Zusammenarbeit mit der US-Chemikerin Annabella Selloni von der Princeton University zurück. "Wir sehen in einem Experiment etwas, das Selloni dann berechnet und dabei auf etwas Neues drauf kommt. Das bringt uns dazu, ein neues Experiment zu machen, bei dem wir wieder viel mehr sehen als sie gerechnet hat. Schritt für Schritt tasten wir uns so vor, das war hier auch der Fall", erklärte Diebold.

Selloni hat aufgrund ihrer theoretischen Berechnungen vorgeschlagen, dass ein auf der Oberfläche absorbiertes Sauerstoff-Molekül eine unter der Oberfläche liegende sogenannte Sauerstoff-Fehlstelle - ein sehr häufiger Defekt in Oxiden - über einen mehrstufigen Prozess "heilen" kann. "Über dieses eingebettete Sauerstoff-Molekül gibt es sehr viele theoretische Arbeiten, gesehen hatte den Prozess bisher aber noch niemand", so Diebold.

Rastertunnelmikroskop im Einsatz

Das Forschungsteam verwendet in seinen Experimenten ein Rastertunnelmikroskop, bei dem eine winzige Metallspitze über die Oberfläche eines Materials geführt wird, dieses aber nicht berührt. Vielmehr wird der Tunnelstrom gemessen, der zwischen Spitze und Probe fließt, wenn man an diese eine Spannung anlegt. Daraus lässt sich die Oberfläche grafisch darstellen, selbst einzelne Atome kann man so sehen.

Die Forscherinnen und Forscher konnten nun zeigen, dass sich durch das Anlegen einer hohen Spannung zwischen Spitze und Probe eine im Inneren befindliche Sauerstoff-Fehlstelle regelrecht an die Oberfläche ziehen lässt. Bei diesem Defekt handelt es sich praktisch um ein Loch im Kristallgefüge. Das Team um Diebold konnte in Folge aufnehmen, wie Sauerstoff-Moleküle in die Fehlstelle eingebaut werden, und zeigen, dass sich mit einem elektrischen Feld deren Ladungszustand steuern lässt.

"Geheilte" Sauerstofflücken

Das neu eingebaute Molekül bleibt dann an der Oberfläche - was für Reaktionen des Materials entscheidend ist. "Wir konnten zeigen, wie wichtig diese 'geheilten' Sauerstofflücken für die chemischen Eigenschaften von Titandioxid sind", sagte Diebold. Speziell für die Entwicklung leistungsfähigerer Photokatalysatoren, mit deren Hilfe man Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten kann, könnte die Arbeit von Bedeutung sein.

Denn man vermutet, dass die Sauerstoff-Moleküle an der Oberfläche von Titandioxid eine wichtige Rolle bei der photokatalytischen - also mit Hilfe von Sonnenlicht und einem Katalysator - Aufspaltung von Wasser spielen. Dass dies mit Titandioxid funktioniere, wisse man schon seit Anfang der 1970er-Jahre. "Wenn man diese Aufspaltung mit Sonnenlicht schaffen würde, wäre das toll. Derzeit funktioniert das Verfahren aber noch sehr schlecht, ökonomisch ist man noch nicht auf einen grünen Zweig gekommen", so Diebold, deren Erkenntnisse es in Zukunft vielleicht ermöglichen, leistungsfähigere Photokatalysatoren zu erzeugen. (APA/red, derStandard.at, 29.8.2013)

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