Nanostrukturierte Grenzflächen

In Batterien und Elektrolyten, in Brennstoffzellen, in der heterogenen Katalyse, sowie in der Nanotechnologie selbst - nanostrukturierte Grenzflächen sind in vielfältigen Anwendungen der Ursprung der Materialfunktionalität. Jede Grenzfläche stellt eine Abweichung von der Volumenstruktur des Materials dar und es tritt eine Restrukturierung auf beiden Seiten der Grenzflächen auf, typischerweise über drei bis fünf atomare bzw. molekulare Lagen. Diese Restrukturierung verändert auch die physikochemischen Eigenschäften der Grenzfläche im Vergleich zum Volumenmaterial. Wir müssen diese Grenzflächen verstehen, um Materialeigenschaften und Anwendungen zu kontrollieren und optimieren.

Wir nutzen verschiedene Streumethoden, um nanostrukturierte Grenzflächen zu charakterisieren, so u.a. komplementäre Pulverdiffraktion und die Methode der Paarverteilungsfunktion (PDF) für die Charakterisierung der kurz- und langreichweitigen (Fehl)Ordnung. Mit ihr führen wir in-situ und operando Experimente durch, häufig multimodal gekoppelt mit in-situ Massenspektrometrie (MS) oder Diffuse-Reflectance Infrared Spectroscopy (DRIFTS), um Struktur-Aktivitäts-Beziehungen von beispielsweise heterogenen Katalysatoren zu erforschen, oder das Nanopartikelwachstum und -sintern während elektrochemischer Zyklierung oder der Katalyse zu verfolgen. Kleinwinkelstreuung (SAXS / SANS) wird hier häufig komplementiert.

Das Bild zeigt Citrat-umhüllte Eisenoxid-Nanopartikel, die mit Neutronen bestrahlt werden. Die Veränderung der Farbe des Strahls veranschaulicht den Prozess der quasielastischen Neutronenstreuung, bei dem eintreffende Neutronen Energie mit der Probe austauschen. Diese Technik wurde eingesetzt, um die Rotation der Ligandenbewegung auf der Oberfläche von Eisenoxid-Nanopartikeln aufzudecken.
ACS Publications, The Journal of Physical Chemistry C, a journal of the American Chemical Society

Um dynamische Prozesse wie die Diffusion von Ionen/Protonen und Molekülen durch Materialien oder auf Oberflächen zu erforschen, nutzen wir Neutronenspektroskopie, z.B. die Quasielatische Neutronenstreuung (QENS). Mit QENS ist es möglich die Diffusionsdynamik von Lithiumionen durch Batteriematerialien, Protonendynamik in Protonenleitern oder die Diffusion von Wassermolekülen um Proteine und auf Nanopartikeloberflächen zu verfolgen, und hierbei die Aktivierungsenergie, die Geometrie der Bewegung, sowie die Diffusionskonstanten zu erforschen.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Mirijam Zobel

Publikationen:

Quasielastic Neutron Scattering of Citrate-Capped Iron Oxide Nanoparticles: Distinguishing Between Ligand, Water, and Magnetic Dynamics, M. S. Plekhanov, S. L. J. Thomä, A. Magerl, M. Appel, M. Zobel*, J. Phys. Chem. C.128 (2024), 28, 11661–11671, doi: 10.1021/acs.jpcc.4c00479. *Cover Image*

Neutron Diffraction - A Primer
R. Dronskowski, T. Brückel, H. Kohlmann, M. Avdeev, A. Houben, M. Meven, M. Hofmann, T. Kamiyama, M. Zobel, W. Schweika, R. P. Hermann, A. Sano-Furukawa, Z. Kristallogr. 239 (5–6) (2024),139–166, doi: 10.1515/zkri-2024-0001

H-D-isotope effect of heavy water affecting ligand-mediated nanoparticle formation in SANS and NMR experiments,
S. W. Krauss, M. Eckardt, J. Will, E. Spiecker, R. Siegel, M. Dulle, R. Schweins, B. Pauw, J. Senker, M. Zobel*,
Nanoscale 15 (2023), 16413-16424, doi: 10.1039/d3nr02419a

Letzte Änderung: 16.10.2024