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TU Berlin

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Einleitung

Die Kenntnis der langreichweitigen kristallographischen Idealstruktur eines Festkörpers ist eine notwendige Voraussetzung zur Einordnung und Charakterisierung neuer Materialien. Die Idealstruktur ist allerdings in den meisten Fällen nicht hinreichend, um die Eigenschaften von Festkörpern zu verstehen oder gar vorherzusagen. Noch schwieriger wird es, wenn für eine neue Anwendung ein Material mit einer ganz bestimmten Eigenschaft oder Reaktivität zielgerichtet hergestellt werden soll. Man bezeichnet dies als "rationales Design" von Funktionsmaterialien, was heutzutage nur in den wenigsten Fällen möglich ist.

Der Grund hierfür ist das Fehlen der notwendigen Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, insbesondere das Verständnis, wie die Struktur eines "realen" Funktionsmaterials von der Idealstruktur abweicht. Diese Abweichungen können in der Morphologie liegen oder sich auf die verschiedenen geometrischen oder elektronischen Defekte in der Volumen- oder Oberflächenstruktur beziehen. Die Gesamtheit von Idealstruktur und den vorliegenden charakteristischen Abweichungen, den Defekten, wird häufig als Realstruktur bezeichnet.

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Analytische Chemie

Defekte spielen für die Eigenschaften von Funktionsmaterialien oft eine dominierende Rolle; bekannte Beispiele sind Halbleiter, optische Materialien oder heterogene Katalysatoren. Allerdings sind die kleinen Abweichungen von der Idealstruktur oftmals sehr viel schwieriger zu charakterisieren als die Idealstruktur selber. Aus diesem Grund wenden wir eine Vielzahl von spektroskopischen und diffraktometrischen Methoden an, um die Defektstruktur von Festkörpern mit bestimmten Eigenschaften (z.B. Katalysatoren) zu untersuchen und zu verstehen.

Empirisch optimierte Funktionsmaterialien weisen häufig eine solche Vielfalt von Elementen und Phasen auf, dass deren Zusammenwirken nicht mehr aufgeklärt werden kann. Man muss annehmen, dass in vielen Fällen auch Materialien mit einfacherer Zusammensetzung eine mindestens gleichwertige Funktionalität aufweisen würden, wenn die entsprechenden Struktur-Funktionsbeziehungen bekannt wären. Außerdem ist zu befürchten, dass in einer Mischung von Phasen, deren Zusammenwirken nur unzulänglich verstanden ist, einzelne Phasen die gewünschten Eigenschaften des Materials verschlechtern. Die Realstruktur der Modellsysteme die wir untersuchen orientieren sich an der vermeintlichen Realstruktur von technologisch relevanten Systemen. Bei unseren Arbeiten steht das vertiefte Verständnis von Ursache und Wirkung im Vordergrund. Aus diesem Grund stellen die Materialien auf denen wir arbeiten Modellsysteme dar, die eine reduzierte Komplexität im Vergleich zu eventuell technologisch eingesetzten Materialien aufweisen.

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Struktur-Eigenschaftsbeziehungen

Tragfähige Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Funktionsmaterialien, die für Gas-Festkörper-Reaktionen eingesetzt werden sollen (z.B. Katalysatoren oder Sensoren) müssen unter relevanten Reaktionsbedingungen (i.e. in situ) untersucht werden. Die Charakterisierung des frisch präparierten Materials oder die "post mortem"-Analyse des Materials nach dem Einsatz lässt nur unzureichende Aussagen über die Realstruktur des Materials unter entsprechenden Gasatmosphären und bei höheren Temperaturen zu. Außerdem ist es nicht ausreichend, die Struktur eines Materials unter Reaktionsbedingungen zu charakterisieren, ohne gleichzeitig die Funktionalität (z.B. Aktivität und Selektivität eines Katalysators) sicherzustellen. Das bedeutet, dass man moderne Methoden der Festkörperanalytik mit geeigneten Methoden zur Analytik der Gasphasenzusammensetzung (z.B. Massenspektrometrie oder Gaschromatographie) kombinieren muss. Nur so lassen sich wirklich belastbare Korrelationen zwischen der Realstruktur eines Materials und seiner Funktionalität erhalten.

Die Kombination von Messungen der Realstruktur mit Messungen der Gasphasenzusammensetzung lässt Rückschlüsse auf Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zu. In der Praxis allerdings reicht eine Methode in der Regel nicht aus, um ein System umfassend zu charakterisieren. Daher wenden wir eine Reihe von Methoden an, die sich gegenseitig ergänzen und komplementäre Informationen liefern. Die langreichweitige Struktur unserer Materialien untersuchen wir z. B. mit Röntgenpulverbeugung (XRD), während wir die kurzreichweitige (lokale) Struktur mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) oder Ramanspektroskopie und die elektronische Struktur mit UV-Vis-Spektroskopie unter Reaktionsbedingungen charakterisieren.

Die Notwendigkeit Funktionsmaterialien unter relevanten Reaktionsbedingungen zu untersuchen ist heute unbestritten. Dementsprechend werden eine fortschreitende Anzahl von analytischen Methoden auf ihren Einsatz für "in situ" Messungen hin optimiert. Messungen unter stationären Reaktionsbedingungen sind jedoch nicht immer ausreichend, um eine bestimmte Struktur zweifelsfrei mit einer charakteristischen Funktion des Materials zu verknüpfen. Unsere Gruppe führt daher die meisten Untersuchungen unter dynamischen Reaktionsbedingungen mittels geeigneter zeitaufgelöster Methoden durch. Zeitaufgelöste Messungen erlauben es die Dynamik von Festkörperreaktionen zu untersuchen und im einzelnen die Festkörperkinetik oder spezielle den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt mit der Funktion eines Materials zu korrelieren.

Auf dem Weg zu einem rationalen Design von Funktionsmaterialien stellen Struktur-Eigenschaftsbeziehungen den ersten Schritt dar. Eine gezielte Variation der Materialparameter durch unterschiedliche Synthesewege wird es dann letztendlich gestatten, neue Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften wissensbasiert herzustellen.

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Festkörperelektrochemie

Strukturelle und elektronische Defekte üben einen charakteristischen Einfluss auf die Leitfähigkeit von Funktionsmaterialien aus. Während geometrische Defekte, wie Fehlstellen im Anionen- oder Kationengitter, die Voraussetzung für Ionenleitfähigkeit sind, sind höher- oder niedervalente Metallzentren, die zusätzlichen Leitungselektronen oder Löchern entsprechen, die Voraussetzung für elektronische Leitfähgkeit. Messungen der Leitfähigeit von Funktionsmaterialien erlauben es umgekehrt, auf die charakteristische Defektstruktur des Materials zu schließen. Führt man solche Messungen außerdem unter geeigneten Reaktionsbedingungen durch (Partialdruck, Temperatur, Gasphasenzusammensetzung), wobei ausgewählte Reaktionsparameter dynamisch während der Messung geändert werden, so erhält man wiederum Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, die zu einem vertieften Verständnis der Defektstruktur zum einen und der charakteristischen Bedeutung der Defektstruktur für die Eigenschaften eines Materials zum anderen führen. Auch hier wird eine gezielte Variation der Materialparameter durch unterschiedliche Synthesewege es dann letztendlich gestatten, neue Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften gezielt herzustellen.

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Prof. Dr. Thorsten Ressler
Institut für Chemie
Sekr. C 2
Raum C 53
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10623 Berlin
Fon: +49 30 314 79736