Fraunhofer IAP untersucht die Oberflächenchemie biobasierter Hybridmaterialien mittels XPS

de.wedoany.com-Bericht: Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP untersucht mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) den chemischen Zustand und die Wechselwirkungen von Oberflächen und Grenzflächen biobasierter Kohlenstoffmaterialien und organisch-anorganischer Hybridmaterialien. Die gewonnenen Erkenntnisse können die gezielte Entwicklung funktionaler Materialien für industrielle Anwendungen unterstützen.

Biobasierte Materialien und Hybridsysteme können in der Wasseraufbereitung, in katalytischen Prozessen, in elektrochemischen Bauelementen und in funktionellen Beschichtungen eingesetzt werden und vereinen Eigenschaften natürlicher Rohstoffe mit denen anorganischer Materialien. Ihre Funktion, Reaktivität und Stabilität hängen von der chemischen Umgebung der Oberflächen und Grenzflächen ab. Herkömmliche Analysemethoden liefern hierzu nur begrenzte Informationen, sodass die Ursachen von Leistungsunterschieden, Alterungseffekten oder unerwartetem Verhalten oft schwer zu bestimmen sind.

In einer Reihe gemeinsamer Forschungsarbeiten unter der Leitung der Arbeitsgruppe Materialchemie von Professor Andreas Taubert an der Universität Potsdam entwickelten Forschende biobasierte Kohlenstoffmaterialien und Hybridmaterialien für die Wasseraufbereitung; das Fraunhofer IAP übernahm die XPS-Charakterisierung zur Analyse der Oberflächenzusammensetzung, der chemischen Zustände und der Grenzflächenwechselwirkungen. Kaffeesatz und Orangenschalen dienten als nachwachsende Rohstoffe zur Herstellung von Biokohle, die anschließend mit Tonmineralien und Metalloxiden kombiniert wurde.

Der Oberflächenanalytiker Dr. Jiyong Kim vom Fraunhofer IAP untersucht mit XPS, wie Wärmebehandlung und Hybridbildung die Oberflächen- und Grenzflächenchemie beeinflussen: Die Materialoberfläche wird mit Röntgenstrahlung bestrahlt und die Energie der austretenden Photoelektronen gemessen. Kim zufolge liefert XPS Informationen über die obersten 1 bis 10 Nanometer eines Materials und erfordert nur eine minimale Probenvorbereitung, ohne Auflösen oder chemischen Aufschluss.

Die Materialchemie natürlicher Rohstoffe ist komplex. Bei der Wärmebehandlung von Biomasse wie Kaffeesatz oder Orangenschalen laufen zahlreiche Reaktionen gleichzeitig ab, wodurch Kohlenstoffmaterialien mit chemisch heterogener Oberfläche entstehen, die sich nicht durch eine einzige Struktur beschreiben lassen. XPS kann komplexe Oberflächen differenzieren und Rückschlüsse auf ihre Entstehung und spätere Anwendung ziehen. Bei Biokohle aus Kaffeesatz zeigt XPS, dass die Wärmebehandlung zu einer Rekonstruktion des Oberflächenkohlenstoffs führt und eine kohlenstoffreichere, graphitartige Struktur entsteht, die jedoch weiterhin heterogen ist und zahlreiche Defektstellen aufweist, welche die Wechselwirkung mit pharmazeutischen Wirkstoffen, Farbstoffen und anderen organischen Schadstoffen fördern können. Taubert zufolge hilft die Kenntnis der genauen chemischen Beschaffenheit, die Zusammensetzung zu verstehen und Veränderungen bei der Wasserreinigung oder in elektrochemischen Bauelementen zu verfolgen, die mit anderen Methoden nur schwer nachweisbar sind.

In biobasierten Hybridmaterialien sind organische und anorganische Komponenten auf kleinstem Maßstab miteinander verbunden, wobei Grenzflächenprozesse die späteren Eigenschaften beeinflussen. Kim zufolge reicht es nicht aus, nur die Elemente zu kennen; entscheidend sei, wie die Komponenten miteinander wechselwirken und ob an der Grenzfläche eine neue chemische Umgebung entsteht. XPS mache diese Wechselwirkungen sichtbar. In einem Hybridsystem aus Biokohle aus Orangenschalen, Ton und Titandioxid entstehen bei der Wärmebehandlung an der Grenzfläche chemische Bindungen unter Beteiligung von Titan, Sauerstoff, Kohlenstoff und Aluminium; in stickstoffmodifizierten Photokatalysatoren kann XPS zwischen in titanhaltige anorganische Strukturen eingebautem Stickstoff und verbleibenden stickstoffhaltigen organischen Verbindungen unterscheiden. Derartige Materialien können Schadstoffe binden und sie bei Lichteinwirkung mithilfe ihrer photokatalytischen Eigenschaften abbauen.

Mithilfe von XPS unterstützt das Fraunhofer IAP Unternehmen und Forschungspartner dabei, die komplexe Oberflächenchemie biobasierter Materialien zu verstehen und die Ursachen von Leistungsunterschieden zu identifizieren, darunter Schwankungen zwischen Produktionschargen, Alterungsprozesse, Oberflächenmodifizierungen sowie Wechselwirkungen mit Schadstoffen und anderen Molekülen, um Materialformulierungen und Herstellungsprozesse zu optimieren und robuste, reproduzierbare Materialien für industrielle Anwendungen zu entwickeln. Angesichts des wachsenden industriellen Interesses an nachwachsenden Rohstoffen zeigen diese Ergebnisse zudem das Potenzial gemeinsamer Forschung an Materialien mit komplexen Oberflächen und Grenzflächen, etwa biobasierten Kohlenstoffmaterialien, Katalysatoren, Beschichtungen und Polymerverbundwerkstoffen.