XPS macht die Oberflächenchemie biobasierter Hybridmaterialien sichtbar
Oberflächenanalytik unterstützt die Entwicklung biobasierter Materialien
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Nur wenige Atomlagen an der Oberfläche können maßgeblich beeinflussen, wie wirksam ein Material Schadstoffe aus Wasser bindet oder wie effizient ein Photokatalysator auf Licht reagiert. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP nutzen die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), um chemische Zustände und Wechselwirkungen an den Oberflächen und Grenzflächen biobasierter Kohlenstoffmaterialien und organisch-anorganischer Hybridmaterialien zu untersuchen. Ihre Erkenntnisse können die gezielte Entwicklung funktionaler Materialien für zukünftige industrielle Anwendungen unterstützen.
Dr. Jiyong Kim analysiert am Fraunhofer IAP die chemische Zusammensetzung komplexer Materialoberflächen mit Hilfe von XPS.
© Fraunhofer IAP / Jadwiga Galties
Biobasierte Materialien und verwandte Hybridsysteme werden für ein breites Spektrum von Anwendungen erforscht, darunter die Wasseraufbereitung, katalytische Prozesse, elektrochemische Bauelemente und funktionelle Beschichtungen. Sie kombinieren natürliche Rohstoffe mit anorganischen Materialien und vereinen so die Eigenschaften beider Materialklassen.
Funktion, Reaktivität und Stabilität biobasierter Hybridmaterialien können stark von den chemischen Umgebungen an ihren Oberflächen und Grenzflächen abhängen. Viele konventionelle Analysemethoden ermöglichen jedoch nur einen begrenzten Zugang zu diesen Prozessen. Für die Materialentwicklung bedeutet dies, dass die Ursachen für Leistungsunterschiede, Alterungseffekte oder unerwartetes Materialverhalten häufig unklar bleiben.
Kaffeesatz, Orangenschalen und komplexe Oberflächen: Was XPS über ihre Chemie verrät
In einer Reihe gemeinsamer Studien unter der Leitung der Arbeitsgruppe Materialchemie von Professor Andreas Taubert an der Universität Potsdam wurden biobasierte Kohlenstoff- und Hybridmaterialien für Anwendungen in der Wasseraufbereitung entwickelt und untersucht. Das Fraunhofer IAP steuerte detaillierte XPS-Charakterisierungen bei, die sich auf die Oberflächenzusammensetzung, chemische Zustände und Wechselwirkungen an Grenzflächen konzentrierten. Kaffeesatz und Orangenschalen dienten als erneuerbare Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Biokohle, die anschließend mit Tonmineralen und Metalloxiden kombiniert wurde.
Im Mittelpunkt der XPS-Analysen stand die Frage, wie die Herstellung dieser biobasierten Hybridmaterialien und ihre Kombination mit anorganischen Komponenten die Chemie ihrer Oberflächen und Grenzflächen verändern. Um Antworten darauf zu finden, untersuchte Dr. Jiyong Kim, Experte für Oberflächenanalytik am Fraunhofer IAP, mithilfe von XPS, wie die thermische Behandlung und die Hybridbildung die Oberflächen- und Grenzflächenchemie der organisch-anorganischen Hybridmaterialien beeinflussen. Dabei wird die Materialoberfläche mit Röntgenstrahlung bestrahlt und die Energie der austretenden Photoelektronen gemessen.
»XPS ist wie ein äußerst feiner Oberflächenscanner. Damit können wir die obersten 1 bis 10 Nanometer eines Materials wie eine chemische Landkarte lesen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Analyse nur eine minimale Probenvorbereitung erfordert und das Material weder aufgelöst noch chemisch aufgeschlossen werden muss«, sagt Kim.
Biokohle: Warum ihre Analyse so anspruchsvoll ist
Materialien aus natürlichen Rohstoffen sind chemisch wesentlich komplexer als konventionelle Laborchemikalien. Bei der thermischen Behandlung von Biomasse wie Kaffeesatz oder Orangenschalen laufen beispielsweise zahlreiche Reaktionen gleichzeitig ab. Dabei entstehen Kohlenstoffmaterialien mit einer heterogenen und teilweise unerwarteten Oberflächenchemie, die sich nicht durch eine einzige chemische Struktur beschreiben lässt. Mithilfe von XPS können diese komplexen Oberflächen differenzieren und Rückschlüsse darauf ziehen, wie ein Material entstanden ist und welche Eigenschaften für seine spätere Anwendung relevant sein können.
Bei Biokohle aus Kaffeesatz zeigte die XPS-Analyse, dass die thermische Behandlung den Kohlenstoff an der Oberfläche neu strukturierte. Dadurch entstand eine kohlenstoffreichere, graphitähnliche Struktur, die dennoch chemisch heterogen blieb und zahlreiche Defektstellen aufwies. Solche Oberflächeneigenschaften können Wechselwirkungen mit Arzneimittelwirkstoffen, Farbstoffen und anderen organischen Schadstoffen fördern. Damit sind sie insbesondere für Materialien relevant, die in der Wasseraufbereitung eingesetzt werden.
»Ein detailliertes Verständnis der exakten chemischen Beschaffenheit eines Materials hilft uns nicht nur dabei, seine Zusammensetzung sehr genau zu erfassen, sondern auch die einzelnen Veränderungen nachzuvollziehen, die während einer Anwendung auftreten – beispielsweise bei der Wasserreinigung oder in einem elektrochemischen Bauelement. Diese Veränderungen sind häufig entscheidend, mit anderen Methoden jedoch nur sehr schwer nachweisbar«, erklärt Taubert.
XPS gibt Einblicke in die Chemie an organisch-anorganischen Grenzflächen
In biobasierten Hybridmaterialien sind organische und anorganische Komponenten auf sehr kleinen Längenskalen miteinander verbunden. Die Vorgänge an ihren Grenzflächen können die späteren Materialeigenschaften maßgeblich beeinflussen.
»Bei Hybridmaterialien reicht es nicht aus, zu wissen, welche Elemente vorhanden sind. Entscheidend ist, wie die organischen und anorganischen Komponenten miteinander wechselwirken und ob an ihren Grenzflächen neue chemische Umgebungen entstehen. Mit XPS können wir diese Wechselwirkungen sichtbar machen«, so Kim.
Bei Hybridsystemen aus Orangenschalen-Biokohle, Ton und Titandioxid zeigte die Analyse, dass die organischen und anorganischen Komponenten während der thermischen Verarbeitung an ihren Grenzflächen chemische Bindungen unter Beteiligung von Titan, Sauerstoff, Kohlenstoff und Aluminium bilden. Bei stickstoffmodifizierten Photokatalysatoren half XPS außerdem dabei, Stickstoff, der in titanhaltige anorganische Strukturen eingebaut war, von verbliebenen stickstoffhaltigen organischen Verbindungen zu unterscheiden. Solche Materialien können Schadstoffe nicht nur binden, sondern diese mithilfe ihrer photokatalytischen Eigenschaften und unter Einwirkung von Licht auch abbauen.
Oberflächenanalytik unterstützt die Entwicklung biobasierter Materialien
Mithilfe von XPS unterstützt das Fraunhofer IAP Unternehmen und Forschungspartner dabei, die komplexe Oberflächenchemie biobasierter Materialien gezielt zu verstehen und die Ursachen für Leistungsunterschiede zu identifizieren. Dazuzählen beispielsweise die Untersuchung von Schwankungen zwischen Produktionschargen, Alterungsprozessen, Oberflächenmodifizierungen sowie chemischen Wechselwirkungen mit Schadstoffen und anderen Molekülen gehören. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse können dazu beitragen, Materialrezepturen und Herstellungsprozesse systematisch zu optimieren und robuste, reproduzierbare Materialien für industrielle Anwendungen zu entwickeln. Angesichts des wachsenden industriellen Interesses an erneuerbaren Rohstoffen zeigen die Ergebnisse zudem Potenziale für weitere gemeinsame Forschungsprojekte zu biobasierten Kohlenstoffmaterialien, Katalysatoren, Beschichtungen, Polymerverbundwerkstoffen und anderen Materialien mit komplexen Oberflächen und Grenzflächen auf.
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