Materialforschung: Neue Röntgentechnik zeigt Weg zu besseren Katalysatoren

13.02.2014

Mit einer neuen Röntgentechnik hat ein schwedisch-deutsches Forscherteam einem Katalysator live bei der Arbeit zugesehen und die atomare Struktur seiner Oberfläche bestimmt.

Die an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III entwickelt Technik soll die Konstruktion optimierter Materialien wie etwa besserer Katalysatoren auf der atomaren Ebene ermöglichen. Das Team um Dr. Johan Gustafson von der Universität Lund präsentiert eine Technik, mit der sich die atomare Struktur von Oberflächen deutlich schneller bestimmen lässt als bisher, so dass Live-Aufnahmen von Oberflächenreaktionen wie Katalyse, Korrosion und Wachstumsprozessen mit einer Zeitauflösung von weniger als einer Sekunde möglich werden. "Wir können damit Oberflächenprozesse verfolgen, die sich bislang nicht in Echtzeit beobachten ließen, und die in vielen Bereichen der Materialforschung eine zentrale Rolle spielen", erläutert DESY-Forscher Prof. Andreas Stierle aus dem Team.

Materialforschern fehlt derzeit eine Methode, um die komplette atomare Struktur einer Oberfläche während dynamischer Prozesse in akzeptabler Zeit aufzunehmen. Existierende Verfahren sind entweder zu langsam oder müssen im Hochvakuum stattfinden, was beispielswiese ein Reaktionsgas in der Probenkammer weitgehend ausschließt und damit auch die Live-Beobachtung von Reaktionen der Oberfläche mit Gasen bei annähernd atmosphärischem Druck.

"Unser Ziel war, Oberflächen unter reaktiven, anwendungsnahen Bedingungen live anzuschauen", sagt Stierle. Die Forscher nutzten dazu die hochenergetische Röntgenstrahlung von DESYs Forschungslichtquelle PETRA III. Wenn die Röntgenstrahlen eine feste Oberfläche treffen, werden sie in charakteristischer Weise gebeugt, und das resultierende Beugungsmuster verrät den Wissenschaftlern die atomare Struktur der Oberfläche. Bei konventionellen Röntgenstreuexperimenten mit niedrigerer Energie müssen die Probe und der Detektor gedreht werden, um das gesamte Beugungsmuster sorgfältig Schritt für Schritt abzutasten - eine Prozedur, die oft zehn Stunden oder mehr Messzeit in Anspruch nimmt.

Die hochenergetische Röntgenstrahlung von PETRA III streut dagegen in einen viel kleineren Winkelbereich. Das deutlich kompaktere Beugungsmuster lässt sich mit einem Hochleistungs-Flächendetektor an der High-Energy-Materials-Science-Messstation P07 komplett in einer Aufnahme bestimmen.

"Dieser Ansatz beschleunigt die Datenaufnahme in Kombination mit einem leistungsstarken Flächendetektor um das Zehn- bis Hundertfache", betont Stierle. Auf diese Weise können die Forscher die komplette Oberflächenstruktur in weniger als zehn Minuten aufnehmen oder individuelle Strukturmerkmale mit einer zeitlichen Auflösung von weniger als einer Sekunde beobachten. "Außerdem erlaubt uns dies, unbekannte oder unerwartete Strukturen leichter zu identifizieren", berichtet Stierle.

COMPAMED.de; Quelle: Deutsches Elektronen Synchroton