Kleine stap randen, grote stap voor oppervlaktewetenschap

Kleine stap randen, grote stap voor oppervlaktewetenschap

Anonim

door de Technische Universiteit van Wenen

Image

Een interessant effect kan helpen bij het bouwen van betere zonnecellen en betere chemische katalysatoren: als een titaniumoxide-oppervlak volledig vlak is, kunnen de elektronen in het materiaal vrij bewegen. Maar als er kleine stapranden op het oppervlak zijn, kunnen de elektronen zich lokaliseren en vervolgens kan zuurstof zich aan het oppervlak hechten.

Het kan worden gevonden in tandpasta, zonnecellen, en het is nuttig voor chemische katalysatoren: titaniumdioxide (TiO 2 ) is een extreem veelzijdig materiaal. Hoewel het voor zoveel verschillende toepassingen wordt gebruikt, verrast het gedrag van titaniumoxide-oppervlakken nog steeds. Professor Ulrike Diebold en haar team aan de Technische Universiteit van Wenen wisten te achterhalen waarom zuurstofatomen zich zo goed hechten aan kleine opstapranden aan titaniumoxideoppervlakken. Elektronen accumuleren precies aan deze randen, waardoor de zuurstofatomen sterker kunnen verbinden. In zonnecellen moet dit effect worden vermeden, maar voor katalysatoren kan dit zeer wenselijk zijn.

Microscoopfoto's van titaniumoxideoppervlakken

Titaniumoxide is het favoriete materiaal van Ulrike Diebold. In haar nieuwste publicatie bestudeerden zij en haar team het gedrag van titaniumoxide-oppervlakken met behulp van scanning tunneling microscopie en atomaire krachtmicroscopie.

Titaniumoxide kan worden gebruikt voor zonnecellen. In de zogenaamde Graetzel-cel, een goedkoop maar inefficiënt type zonnecel, speelt hij de centrale rol. "In een zonnecel willen we dat elektronen vrij kunnen bewegen en zich niet hechten aan een bepaald atoom", zegt Martin Setvin, eerste auteur van de publicatie, die nu is verschenen in het tijdschrift "Angewandte".

Het tegenovergestelde geldt voor katalysatoren: voor katalytische processen is het vaak belangrijk dat elektronen zich hechten aan oppervlakte-atomen. Alleen op plaatsen waar een dergelijk extra elektron zich bevindt, kunnen zuurstofmoleculen zich hechten aan het titaniumoxide-oppervlak en vervolgens deelnemen aan chemische reacties.

Elektronen vervormen de kristalstructuur

Image

Gewoonlijk kost het een aanzienlijke hoeveelheid energie om de elektronen aan een bepaald atoom te binden. "Wanneer een elektron is gelokaliseerd op een titaniumatoom, wordt de elektrische lading van het atoom veranderd en door elektrostatische krachten wordt het titaniumoxidekristal vervormd", zegt Ulrike Diebold. Om deze roostervervorming te creëren, moet energie worden geïnvesteerd - en daarom treedt dit effect meestal niet vanzelf op.

Het oppervlak van titaniumoxide is echter nooit volledig vlak. Op microscopische schaal zijn er kleine stappen en randen, veel met een hoogte van slechts één atoomlaag. Aan deze randen kunnen elektronen vrij gemakkelijk lokaliseren. De atomen aan de rand hebben slechts buren aan één kant, en daarom worden er geen grote roostervervormingen gecreëerd wanneer deze atomen een extra elektron ontvangen en hun ladingstoestand veranderen. "We hebben vastgesteld dat zuurstofmoleculen zich juist op deze locaties op het oppervlak kunnen aansluiten", zegt Diebold.

Betere zonnecellen, efficiëntere katalysatoren

Hieruit kunnen belangrijke conclusies voor technologie worden getrokken: voor fotovoltaïsche cellen moeten dergelijke stapranden worden vermeden, voor katalysatoren biedt dit nieuw ontdekte effect grote kansen. Oppervlakken kunnen microgestructureerd zijn om veel van dergelijke randen te vertonen, waardoor ze uiterst effectieve katalysatoren zijn.