Synthesis of Titanoxide Nanostructures
Topic of the Month
Seit Januar 2018 präsentieren wir an dieser Stelle monatlich ein spannendes Thema aus dem Bereich der Werkstoffwissenschaften.
Das “Thema das Monats” ist einfach und verständlich erklärt und gibt aufschlussreiche Einblicke in die Forschungsaktivitäten unseres Departments.
Das Thema des Monats April kommt aus dem Lehrstuhl für Korrosion und Oberflächentechnik (WW4) und hat den Titel:
Synthese von Titanoxid Nanostrukturen
von Christopher Schneider
Worum geht es bei dem Thema?
Metalloxide sind Materialien, die auf Grund ihrer diversen elektronischen und chemischen Eigenschaften für viele Anwendungsgebiete wie zum Beispiel Korrosionsschutz, Gassensorik, Energieträger oder Photokatalyse interessant sind.
Für viele dieser Anwendungen, speziell Sensorik und Katalyse ist die Größe und Beschaffenheit der Oberfläche der Materialien von herausragender Bedeutung. In diesem Zusammenhang spielt die Nanostrukturierung von Metalloberflächen, bei der eine vorteilhafte Morphologie im Submikrometerbereich erschaffen wird um bestimmte Eigenschaften zu fördern oder zu unterdrücken eine wichtige Rolle in der aktuellen Forschung.
In meinem Projekt beschäftige ich mit der chemischen Synthese von Titanoxid Nanostrukturen aus Titanprecursorlösungen in verschiedenen Temperaturbereichen. Hierbei kristallisiert das Titanoxid auf Grund von selbstorganisiertem Wachstum mit vordefinierten Morphologien aus. Dieser Effekt kann zum Beispiel genutzt werden um einkristalline Titanoxid Nanostäbe auf leitfähigem Glas (FTO) aufzuwachsen welche durch ihre Halbleitereigenschaften, ihren hohen Oberflächen und guten Elektronentransporteigenschaften hohe Aktivität in der Spaltung von Wasser durch Sonnenlicht aufweisen. In diesem Prozess wird aus Wasser der Energieträger Wasserstoff gewonnen.
Abbildung 1: SEM Bilder von Titanoxid Nanostäbchen auf FTO a) Tantal dotiertes Titanoxid nach abgeschlossener Synthese b) anfängliches Wachstum auf FTO
Wo findet es Anwendung?
Titanoxid ist auf Grund der großen Bandbreite an Einsatzbereichen ein vielversprechendes Material. Eines dieser Bereiche ist der Einsatz von eindimensionalen Titanoxid Nanostrukturen wie Nanostäben, Nanodrähten und Nanoröhrchen in regenerativen Energiequellen durch photoelektrochemischen Anwendungen wie Farbstoffsolarzellen (DSSC) oder zur Generierung von Wasserstoff durch sonnenlichtinduziertes Spalten von Wasser. Des Weitern sind Titanoxid Nanostrukturen für den Einsatz in Batterien oder sogar in der Implantattechnik interessant. In Abbildung 2 ist das Prinzip der Wasserspaltung durch Sonnenlicht am Beispiel von Titanoxid Nanoröhrchen sowie eletronenmikroskopischen Aufnahmen von Nanoröhrchen gezeigt, welche mittels verschiedener Methoden erzeugt wurden.
Abbildung 2: a) Schema der Erzeugung von Wasserstoff durch die Spaltung von Wasser unter Sonnenlicht am Beispiel von Nanoröhrchen, SEM Bild von b) freistehenden Nanoröhrchen und c) hochgeordneten Nanoröhrchen mittels elektrochemischer Anodisation
Was ist weiter geplant?
Da viele Faktoren zu dem selbstorganisierten Wachstum von Nanostrukturen beitragen, ist es wichtig diese zu verstehen um die Morphologie in einem solchen Maße zu beeinflussen, dass gewünschte Effekte verstärkt und unerwünschte vermieden werden. Der Einfluss von Zusätzen während der Synthese sowie Anpassungen an den Parametern können genutzt werden um die Kosten und Komplexität der Herstellungsmethoden zu verringern und die Synthese zu vereinfachen. Des weiterem können die materialspezifischen Nachteile durch Dotierung oder Beschichtung von Katalysatoren verbessert werden.
Zur Person:
Name: Christopher Schneider
Studium: Chemie
Forschungsschwerpunkte: Nanostrukturierung von Oberflächen, Hydrothermale Synthese, Elektrochemie