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Rastertunnelmikroskop-Aufnahme der Oberfläche von Titanoxid

Wie Titanoxid durch Sauerstoff "geheilt" wird

Titanoxid ist ein vielfältig verwendetes Material. Es wird etwa als UV-Schutz in Sonnencremes und als weißes Pigment für Wandfarbe eingesetzt. Dass Sauerstoff für die Eigenschaften des Materials wichtig ist, war schon bekannt - eine Wiener Physikerin hat nun erstmals beobachtet, wie Sauerstoffmoleküle Lücken in seiner Kristallstruktur "heilen".

Physik 30.08.2013

Ulrike Diebold, Professorin für Oberflächenphysik an der Technischen Universität (TU) Wien und diesjährige Wittgenstein-Preisträgerin Diebold, führt den Erfolg ihrer Arbeit auf die langjährige Zusammenarbeit mit der US-Chemikerin Annabella Selloni von der Princeton University zurück.

Die Studie:

"Reaction of O2 with Subsurface Oxygen Vacancies on TiO2 Anatase" von Martin Setvin und Kollegen ist am 29.8. in "Science" erschienen.

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"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 Sauerstoffmolekül eine unter der Oberfläche liegende sogenannte Sauerstofffehlstelle - ein sehr häufiger Defekt in Oxiden - über einen mehrstufigen Prozess "heilen" kann. "Über dieses eingebettete Sauerstoffmolekül gibt es sehr viele theoretische Arbeiten, gesehen hatte den Prozess bisher aber noch niemand", so Diebold.

Loch im Kristallgefüge beobachtet

Die Physikerin und ihr Team verwenden in ihren 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 Wiener Wissenschaftler 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. Die Physiker konnten in Folge aufnehmen, wie Sauerstoffmoleküle in die Fehlstelle eingebaut werden und zeigen, dass sich mit einem elektrischen Feld deren Ladungszustand steuern lässt.

Mögliche Anwendung bei Photokatalysatoren

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 Titanoxid 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 Sauerstoffmoleküle an der Oberfläche von Titanoxid eine wichtige Rolle bei der photokatalytischen - also mit Hilfe von Sonnenlicht und einem Katalysator - Aufspaltung von Wasser spielen. Dass dies mit Titanoxid 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, aktivere, sauerstoffreichere Photokatalysatoren zu erzeugen.

science.ORF.at/APA

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