Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.07.2017

Untersuchung des Einflusses von Sauerstoff auf die Phasenumwandlung von Titan-dotierten Nioboxid Nanostrukturen mit atomaufgelösten in situ Experimenten

Prof. Dr. Wolfgang Schnick
Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Chemie und Pharmazie

Prof. Dr. Robert Sinclair
Stanford University
Department of Materials Science & Engineering


Die Entwicklung neuer Materialien für die effiziente Nutzung erneuerbarer Energien ist eine der Hauptaufgaben unserer Generation. Im Vergleich zu Volumenmaterialien können Nanostrukturen durch das große Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis verbesserte Eigenschaften zeigen wie zum Beispiel eine deutlich erhöhte katalytische Aktivität. In diesem Zusammenhang ist die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ein wichtiges Werkzeug, um die strukturellen Eigenschaften von Proben mit atomarer Auflösung zu untersuchen. Ihre Möglichkeiten werden durch in situ Techniken erweitert. In situ Heizexperimente ermöglichen beispielsweise die direkte Beobachtung von Temperatur-induzierten Phasenübergängen, wodurch deren Effekt auf die Morphologie und Kristallinität von Nanostrukturen untersucht werden kann. Allerdings sind diese Experimente durch die im TEM vorherrschende reduzierende Atmosphäre beeinflusst, wodurch der direkte Vergleich mit Standardbedingungen erschwert oder sogar verhindert wird. Dreidimensionale hierarchische Nb3O7(OH) Nanostrukturen besitzen eine einzigartige, aus Nanodrähten aufgebaute Morphologie und sind photokatalytisch aktiv. Ihre katalytische Aktivität kann durch die Dotierung mit Titan gesteigert werden. Trotz ihrer komplexen Morphologie sind diese Nanostrukturen auch bei hohen Temperaturen stabil. Dies soll durch in situ TEM Experimente mit Blick auf den Effekt von Temperatur auf die Kristallinität und Morphologie untersucht werden. Die Verwendung eines „Environmental TEM“ ermöglicht die Durchführung von Heizexperimenten in Gegenwart von Sauerstoff, wodurch die reduzierende Atmosphäre im TEM abgeschwächt wird. Da insbesondere Phasenumwandlungen von Metalloxiden durch Sauerstoff beeinflusst werden, erlaubt der Vergleich verschiedener Atmosphären allgemeine Schlussfolgerungen über den Effekt von Sauerstoff auf Phasenumwandlungen von Metalloxiden.

Abschlussbericht
Der Forschungsaufenthalt in der Gruppe von Prof. Bob Sinclair an der Stanford University ermöglichte Experimente an einem „Environmental-Transmissionselektronenmikroskop“ (ETEM). Während die Proben in konventionellen Transmissionselektronenmikroskopen nur im Hochvakuum untersucht werden können, können in einem ETEM Gase in die Säule eingeleitet werden wobei Drücke von bis zu 10 mbar möglich sind. Das Setup wurde für die Untersuchung des Verhaltens von Nioboxid-Nanodräht bei erhöhten Temperaturen verwendet.

Im Hochvakuum werden bei Temperaturen über 700 °C durch den Elektronenstrahl zunehmend Sauerstoffatome aus Niob(V)oxid herausgeschlagen wodurch das Material reduziert wird. Dieser Effekt konnte durch die Gegenwart von Sauerstoffatomen in unmittelbarer Umgebung der Probe verhindert bzw. umgekehrt werde. Dabei wurde die durch den Elektronenstrahl hervorgerufene Reduktion des Materials gezielt ausgenutzt um Oxidations-/Reduktionsvorgänge mit atomarer Auflösung zu verstehen. Dafür wurde das Material zunächst durch Bestrahlung mit Elektronen reduziert. Anschließend wurde der Sauerstoffgehalt im TEM schrittweise erhöht wodurch das Material langsam von Nb(II) zu Nb(V) oxidiert. Da sehr niedrige Sauerstoffdrücke verwendet wurden verlief die Oxidationsreaktion langsam und konnte direkt mit Hochauflösungsbildern und Elektronenverlustspektroskopie verfolgt werden. Dies lieferte detaillierte Einblicke in die strukturellen Veränderungen die mit der Oxidationsreaktion einhergehen. Zusätzlich zeigte diese Studie, dass die Gasatmosphäre in einem ETEM genutzt werden kann um durch den Elektronenstrahl verursachte Artefakte zu reduzieren, was in Zukunft verstärkt für die Untersuchung sensibler Materialien genutzt werden soll.