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Blick in das Innere von Nanoröhren
Die Entdeckung, dass Kohlenstoffatome unter geeigneten
Bedingungen durch Selbstorganisation eine Vielzahl
höchst komplexer Strukturen ausbilden, kann als
Ursprung der modernen Nanowissenschaften angesehen
werden. Das wohl bekannteste Kohlenstoffmolekül ist
das Fulleren C 60
(s. Abb. 2.39). C 60
hat die Form eines
miniaturisierten Fußballs mit nur einem Nanometer
Durchmesser. Neben C 60
haben vor allem Kohlenstoffnanoröhren
besonderes Interesse ausgelöst. Sie besitzen
ganz außergewöhnliche mechanische und elektronische
Eigenschaften. Mögliche Anwendungen reichen
von hochfesten Werkstoffen bis zu Flachbildschirmen.
Neutronenstreuung ist für die Charakterisierung von
Nanoröhren eine hervorragend geeignete Sonde. Diffraktion
und Spektroskopie erlauben es, die Strukturen
und Bewegungen von Fullerenen und Nanoröhren bis
ins Detail und unter verschiedensten Bedingungen zu
studieren. Ein besonders schönes Beispiel sind Peapods.
Führt man C 60
-Moleküle in die Nanoröhren ein, so reihen
sie sich wie Erbsenkörner auf. Mit der Neutronenstreuung
ist es möglich, die Bewegung der C 60
-Moleküle
und damit ihr Bindungsverhalten in den Röhren zu
beobachten (s. Abb. 2.40). Im Gegensatz zu Laserlicht,
das bei der Ramanstreuung verwendet wird und zur Polymerisierung
der C 60
-Moleküle führen kann, greift der
Neutronenbeschuss nicht störend in das System ein. Die
genaue Kenntnis des Bindungsverhaltens ist unabdingbar
für die Voraussage physikalischer Eigenschaften,
wie z. B. möglicher Supraleitung, und damit technischer
Anwendungen.
Abb 2.39. Geometrie einer typischen Kohlenstoffnanoröhre
(links hinten) im Vergleich zu den mit C 60
gefüllten
Peapods (rechts). Neutrondiffraktion und Neutronenspektroskopie
geben Aufschluss über die Position und
Bewegung der konstituierenden Atome. Vorne links:
Kristallstruktur der C 60
-Moleküle.
GDOS (willkürliche Einheiten)
0 50 100 150
E (meV)
Abb 2.40. Verteilung der Schwingungsmoden für
(a: oben) Peadpods, d.h. mit C 60
-Molekülen gefüllte Nanoröhren
(a: Mitte) leere Nanoröhren
(a: unten) Anteil der eingeschlossenen C 60
-Moleküle.
(b) Berechnetes Spektrum für isolierte Moleküle
Beispiele für heterogene Katalyse mit
Neutronen
Eine Vielzahl chemischer Prozesse beruht auf katalytischen
Umsetzungen. Heterogene Katalyse, bei der Katalysator
und Reaktanden in unterschiedlichen Aggregatzuständen
vorliegen, wurde verschiedentlich durch
Neutronenstreuung untersucht. Im Folgenden sollen drei
Beispiele für den erfolgreichen Einsatz von Neutronen
vorgestellt werden:
Umsatz organischer Moleküle in den
Hohlräumen von Zeolithen
Zeolithe sind Alumosilikate, die eine Gerüststruktur
mit Hohlräumen aufweisen, die eine Einlagerung von
organischen Molekülen erlauben. Großtechnisch eingesetzt
werden synthetische Zeolithmaterialien in der
Erdölchemie für Crackprozesse langkettiger Kohlenwasserstoffe.
Auch für Feinchemikalien fanden die Zeolithe Anwendung.
Abb. 2.41 zeigt die Einlagerung eines aromatischen
Moleküls in den Hohlraum des Zeolithen Y.
Gut erkennbar ist die Wechselwirkung zwischen dem
Metallatom und dem eingelagerten Molekül. Durch den
gezielten Austausch der Metallatome lassen sich die Eigenschaften
für einzelne Synthesen optimieren. Neben
der Lokalisierung der Moleküle durch Diffraktion lässt
a
b
Abb 2.41. Die Einlagerung eines organischen Moleküls
in den Hohlraum des Zeolithen Y zeigt die Wechselwirkung
mit dem Alumosilikatgerüst.
sich auch die Dynamik der Moleküle durch inelastische
bzw. quasielastische Streuprozesse untersuchen. Neutronen
haben hier erhebliche Vorteile durch das hohe
Streuvermögen des Wasserstoffs und die Möglichkeit
der gezielten Deuterierung.
Anlagerung von Kohlenwasserstoffen an
Metalle
Oberfl ächen von Edelmetallen wie Platin und Palladium
sind von besonderer Bedeutung für katalytische Anwendungen.
Durch Methoden der Oberflächenanalytik
(Photoemissionsspektroskopie, Röntgen) konnten
wichtige Informationen zur Änderung der Oberfl äche
bei der Reaktion gewonnen werden. Nicht zugänglich
ist dabei aber die Art der Anlagerung von Reaktanden.
Durch inelastische Neutronenstreuung konnte die
Anordnung von Methylgruppen auf einer Palladium-
Oberfl äche nachgewiesen werden. Abb. 2.42 gibt einen
Eindruck wieder, wie die Bindung zwischen einzelnen
Pd-Atomen und dem Kohlenstoffatom aussieht (Firma
Degussa/Umicore).
Ähnliche Untersuchungen der Anlagerung von Wasserstoff
auf Platin bzw. Platin/Ruthenium Partikeln, die in
Brennstoffzellen eingesetzt werden, wurden ebenfalls
durchgeführt. Die katalytisch aktiven nanokristallinen
Metallpartikel waren dabei auf Kohlenstoff aufgebracht.
Gleichzeitig ließ sich dabei auch die partielle
Oxidation bzw. die Bildung von Pt-OH-Teilchen nachweisen.
Abb 2.42. Anlagerung von CH 3
-Gruppen auf eine
Palladium-Oberfläche.
Brennstoffzellen
Niedertemperaturbrennstoffzellen werden als Alternative
zu Kohlenwasserstoffen als Fahrzeugantrieb
intensiv untersucht. Eine der offenen Fragen vor einem
Einsatz der Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM)
ist der Durchtritt von Wasser durch die Polymermembran,
die für ihr Funktionieren feucht gehalten werden
muss. Während Änderungen des Metallkatalysators
durch Röntgenabsorptionsmessungen in-situ verfolgt
werden können, lässt sich der Wasserhaushalt durch
direkte Bildgebungsverfahren durch Neutronen verfolgen,
die das Streuvermögen des Wasserstoffs ausnutzen.
Durch Tomographie konnte so der Wassergehalt einer
gesamten Zelle rekonstruiert werden (s. Abb. 2.43).
Die Untersuchungen katalytischer Prozesse mit Neutronen
haben noch erhebliches Potential.
Abb 2.43. Wasserverteilung in einer PEM-Brennstoffzelle.
Eingeschränkte Dimensionalität:
44 45
Nanoröhren / Katalyse