Reaktivität von In2O3 Oberflächen

Indiumoxid ist ein durchsichtiges und elektrisch leitfähiges Material, das auf Grund dieser Eigenschaften für elektrische Kontakte in Solarzellen und Leuchtdioden verwendet wird. Inzwischen weiß man auch, dass Indiumoxid ein katalytisch aktives Material ist, d.h., chemische Reaktionen laufen effizienter ab, wenn sie auf Indiumoxid stattfinden. Einige dieser Reaktionen sind sogar noch schneller, wenn das Indiumoxid mit (dem ultravioletten Bereich von) Sonnenlicht bestrahlt wird, was als Photokatalyse bezeichnet wird. Das ist genau das Thema, das ich an der TU Wien mit diesem Projekt erforschen werde: Das Ziel ist, die Reaktivität von Indiumoxid zu verstehen. Dazu wird die Oberfläche von Indiumoxid-Proben untersucht, da dort diese Reaktionen ablaufen. Die Experimente finden unter kontrollierten Bedingungen im Vakuumkammern statt, wo Reaktionen Schritt für Schritt untersucht werden können. Dazu finden moderne Methoden der Oberflächenphyik Verwendung, kombiniert mit speziellen Geräten und Versuchsanordnungen um die Oberflächenchemie zu erforschen. Mit den verwendeten Methoden lässt sich die Oberfläche lokal mit atomarer Auflösung abbilden und in Kombination mit spektroskopischen Methoden erhält man Einblicke in die Prozesse auf atomarer Ebene. Um nicht nur unter idealisierten Bedingungen (Vakuum) zu forschen, sondern auch echte Reaktionsbedingungen zu testen werden hier an der TU Wien entworfene Apparate zum Einsatz kommen: Damit können die Proben deutlich höheren Gasdrücken (als in Vakuumkammern möglich) ausgesetzt werden, und es ist möglich Flüssigkeiten, z.B. Wasser, auf die Probe zu tropfen. Als Proben verwende ich qualitativ hochwertige Indiumoxid Einkristalle und Indiumoxid Dünnfilm-Proben, die an der TU Wien in unserem Labor gewachsen werden. Die wissenschaftlichen Hauptthemen dieses Projektes sind (1) die photokatalytische Umwandlung (Reduktion) von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid mithilfe der Wassergas- Shift-Reaktion, die im Grunde den erste Schritt der Photosynthese darstellt und (2) die Umwandlung (Hydrierung) von Acetylen in Ethen, ein Prozess, der in der Herstellung von Polyethylene (Plastik) von großer Relevanz ist. Beide Themen benötigen einige Experimente und Studien zur Vorbereitung, zum Beispiel wie Indiumoxid mit verschiedenen Molekülen und Gasen reagiert (Wasser, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Acetylen, atomarer und molekularer Wasserstoff etc.) und welche Oberflächenmodifikationen durch Beschuss mit Elektronen und bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht stattfinden. Da Besondere an meinem Projekt ist die Kombination von Indiumoxid-Einkristallen und Dünnfilmen, die als Vorzeigemodell dienen, mit eindrucksvollen oberflächenphysikalischen Methoden um besondere Themen aus dem Bereich der Oberflächenkatalyse zu erforschen.

Das Projekt "Reaktivität von In2O3 Oberflächen" hat Grundlagenforschung im Gebiet der Oberflächenphysik betrieben. Das Ziel war es, die Adsorption und Wechselwirkung einzelner, für chemische Reaktionen wichtiger Moleküle mit einer bestimmten Oberfläche des Materials Indiumoxid (In2O3) besser zu verstehen. Die experimentelle Forschung basierte auf modernsten Methoden der Oberflächenphysik im Ultrahochvakuum (UHV), der Fokus lag dabei auf bildgebenden Methoden (Rastertunnelmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie), sowie Spektroskopie (Photoemissionsspektroskopie und Desorptionsspektroskopie). Drei Moleküle wurden untersucht: (1) Wasser (2) Kohlendioxid (CO2) und (3) Methanol. (1) Der erste Schritt vieler chemischer Reaktionen liegt in der Aufnahme oder Abgabe eines Protons. Die Fähigkeit eines Atoms, dies zu tun, wird als Protonenaffintät (PA) beschrieben. Bisher war es nur möglich die PA der ganzen Oberfläche einer Probe gemittelt zu bestimmen, nicht aber für deren einzelne Atome. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie wurde von uns ein Messverfahren entwickelt, mit dem man die PA einzelner Atome einer Oberfläche bestimmen kann. Dazu wurden Protonen (z.B. durch die Adsorption von Wasser) auf die In2O3 Oberfläche gebracht. Anhand der Bindungsstärke dieser Protonen, die man individuell messen kann, lässt sich die PA des Oberflächenatoms ermitteln. Dadurch wissen wir jetzt genau, welche Atome auf der In2O3 Oberfläche für De/Hydrierungsreaktionen besonders wichtig sind. Dieses Wissen wurde auch bei unseren Studien mit Kohlendioxid und Methanol verwendet. (2) Aus der angewandten Katalyseforschung ist seit einigen Jahren bekannt, dass Indiumoxid ein vielversprechender Katalysator für die Umwandlung des Treibhausgases CO2 zu Methanol ist, aber die genauen Prozesse, wo auf der Oberfläche und bei welchen Atomen sie stattfinden sind nicht bekannt. In diesem Projekt wurde erforscht, wie CO2 mit der In2O3 Oberfläche wechselwirken, auf welchen Gitterplätzen die Moleküle adsorbieren, und ob sie reagieren, also sich chemisch verändern. Die Experimente wurden sowohl im UHV als auch bei etwas höheren Drücken (1 mbar) und unter Beimischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid durchgeführt, wo auch der erste Schritt der Reaktion, die Bildung von Formiat (HCOO), beobachtet wurde. Mit diesen Studien wurde der erste Schritt gemacht, die CO2 Umwandlung zu Methanol auf dem Katalysator In2O3 auf atomarem Niveau nachzuvollziehen. (3) Methanol ist ein vielversprechender Energieträger und durch die Kohlendioxid-Reduktion wird mit einem geeigneten Katalysator ein unerwünschtes Treibhausgas in eine begehrte chemische Verbindung übergeführt. Im Rahmen dieses Projektes wurde deswegen auch das Endprodukt der Reaktion, Methanol, und die Adsorption einzelner Moleküle auf der In2O3 Oberfläche untersucht. Von besonderem Interesse war dabei auch die Konkurrenz von Wasser (einer Kontamination) und Methanol, mit dem erfreulichen Ergebnis, dass Methanol Wasser von der Oberfläche verdrängt. Zusammenfassend hat dieses Projekt das Wissen über atomare Eigenschaften und Prozesse, die für chemischer Reaktivität auf Oxidoberflächen relevant sind, vergrößert.