Sauerstoff mag Titandioxid-Kanten

  • Winzige Stufen auf Titanoxid-Oberflächen. Quelle: TU WienWinzige Stufen auf Titanoxid-Oberflächen. Quelle: TU Wien
  • Winzige Stufen auf Titanoxid-Oberflächen. Quelle: TU Wien
  • Jiri Pavelec, Gareth Parkinson, Benjamin Daniel, Martin Setvin (v.l.n.r). Quelle: TU Wien

Sauerstoff bindet bevorzugt an Titandioxid-Kanten. Dies belegen Experimente an der TU Wien, die das Verhalten von Elektronen an winzigen Stufen auf Titandioxid-Oberflächen erklären. Diese Prozesse wirken sich negativ auf bestimmte Solarzellen aus, weshalb eine Kantenbildung beim Herstellungsprozess möglichst vermieden werden sollte. In der Katalyse kann eine erhöhte Zahl an Kanten jedoch überaus vorteilhaft sein.

Es kommt in Zahnpasta genauso vor wie in Solarzellen oder chemischen Katalysatoren: Titandioxid (TiO2) ist ein Material mit vielen Einsatzmöglichkeiten. Obwohl es so oft verwendet wird, ist das Verhalten von Titandioxid-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 Titandioxid 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 Titandioxid-Oberflächen

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

Titandioxid 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 dort, wo ein zusätzliches Elektron sitzt, kann ein Sauerstoff-Atom an die Titandioxid-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 lokalisiere, dann ändere sich die elektrische Ladung des Titanatoms, und aufgrund elektrostatischer Kräfte entstehe dann eine Verbiegung im Titandioxid-Kristallgitter, sagt 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 könne man feststellen, dass genau an diesen Stellen der Sauerstoff andocke, berichtet Diebold.

Bessere Solarzellen, wirkungsvollere Katalysatoren

Daraus lassen sich nun für die technologische Verwendung von Titandioxid 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.

Originalpublikation:
Setvin M. et al.: Charge Trapping at the Step Edges of TiO2 Anatase (101), Angewandte Chemie Int. Ed. (2014)

www.tuwien.ac.at

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