Die Oberfläche stabförmiger Ceroxid-Nanopartikel ist vergleichbar mit den Felsformationen des Monument Valley.
KIT
Ceroxide sind Verbindungen des Seltenerdmetalls Cer mit Sauerstoff. Sie gehören zu den wichtigsten Oxiden für technische Anwendungen in der heterogenen Katalyse, beispielsweise in Abgaskatalysatoren für Kraftfahrzeuge. Dort wird es in Pulverform verwendet, die nanoskaligen Partikel weisen eine hochkomplexe Struktur auf. Die spezielle Anordnung der Metall- und Sauerstoffatome an der Oberfläche bestimmt die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Ceroxids.
Die Wissenschaftler untersuchten die Ceroxid-Nanopartikel mithilfe von Sondenmolekülen sowie einer komplexen Ultrahochvakuum-Infrarot-Messapparatur. Dabei setzen sie kleine Moleküle, wie Kohlenmonoxid (CO), molekularen Sauerstoff (O2) oder Distickstoffmonoxid (N2O), als Sondenmoleküle ein. Diese lagern sich an der Oberfläche der Oxid-Nanopartikel an. Anschließend bestimmen die Forscher die Schwingungsfrequenzen der Sondenmoleküle und gewannen so neue Einsichten in die Oberflächenchemie der Ceroxid-Nanopartikel.
Sauerstoff-Leerstellen erhöhen katalytische Aktivität
So wiesen die Wissenschaftler nach, dass die Oberfläche stabförmiger Ceroxid-Nanopartikel Ecken und Kanten aufweist. Diese Sauerstoff-Leerstellen führen vermutlich zu der hohen katalytischen Aktivität. Erzeugt man diese unbesetzten Sauerstoffplätze, lässt sich die Photoreaktivität des Ceroxid deutlich steigern. Desweiteren gelang es, grundlegende Erkenntnisse zur Lage von Sauerstoff-Leerstellen auf verschiedenen Ceroxid-Oberflächen und ihrer Bedeutung für die Sauerstoffaktivierung zu gewinnen.
"Die Ergebnisse dieser Arbeiten ermöglichen nun, nanoskalige Ceroxid-Katalysatoren und -Photokatalysatoren systematisch weiterzuentwickeln und zu optimieren", sagt Christof Wöll, Professor des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) am KIT. In drei jeweils einzeln veröffentlichten Beiträgen in der Zeitschrift Angewandte Chemie werden die Forschungsergebnisse veröffentlicht.