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