Strukturuntersuchungen an kolloidal hergestellten Nanokristallen Nanokristalline Systeme erfahren ein rasant wachsendes Interesse in der Materialforschung. Eine Vielzahl physikalischer und chemischer Eigenschaften eines Stoffes verändert sich beim Übergang zu Dimensionen im Nanometer-Bereich. Ein eindrucksvolles Beispiel ist die von der Kristallitgröße abhängige Lage der Absorptions- und Fluoereszenzbanden von Halbleitermaterialien. Kolloidale Lösungen von Halbleiter-Nanokristallen ein und desselben Stoffes können verschiedene Farben aufweisen, wenn sie sich nur in der Größe der Partikel unterscheiden. Dies ist eine sehr anschauliche Folge des sogenannten Größenquantisierungseffektes. Zum Beispiel durch die Steuerung der Teilchengröße wird es somit möglich, gezielt Materialien mit ganz speziellen Eigenschaften herzustellen. Zahlreiche Anwendungen eröffnen sich beispielsweise in der Halbleiterindustrie. Viele Eigenschaften wie die Fluoreszenzquantenausbeute hängen stark von der Beschaffenheit der Teilchenoberfläche ab. Für hohe Fluoreszenzquantenausbeuten ist es erforderlich die Oberfläche zu passivieren, d.h. freie Bindungsvalenzen an der Oberfläche abzusättigen. Ein wichtiges Konzept der Kolloidchemie ist hierzu die Verwendung organischer Liganden, welche an die Oberfläche binden sollen. Neben der Passivierung der Oberfläche erfüllen die Liganden eine Vielzahl weiterer Funktionen. So wird auch eine Agglomeration der Teilchen zu Bulkmaterial verhindert, das Kristallwachstum gesteuert und den Partikeln Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln verliehen. Eine Voraussetzung für die Entwicklung neuer Materialien ist das umfassende Verständnis der im Nanometer-Bereich auftretenden Phänomene. Während meines Promotionsstudiums habe ich Oberflächenstrukturen von Halbleiter-Nanokristallen untersucht, um aufzuklären, welche Bindungen die so wichtigen Liganden mit der Kristallitoberfläche eingehen. Eine ideale Methode ist hierfür die Photoelektronenspektroskopie (XPS), insbesondere unter Verwendung von Synchrotronstrahlung. In der Photoelektronenspektroskopie wird die Bindungsenergie von Elektronen untersucht, welche durch die einfallende Strahlung aus der Probe herausgeschlagen werden. Da die Bindungsenergie von Elektronen in einem bestimmten Orbital von der chemischen Umgebung des betreffenden Atoms beeinflußt wird, können in den Spektren verschiedene Komponenten beobachtet werden, welche verschiedenen chemischen Umgebungen entsprechen. Die Identifikation und Interpretation solcher Komponenten macht es möglich die in einer Probe vorhandenen Bindungsverhältnisse aufzuklären. Ein besonderer Vorteil bei der Verwendung von Synchrotronstrahlung ist die Möglichkeit, die Anregungsenergie zu variieren. Da die mittlere freie Weglänge von Photoelektronen in Materie von der kinetischen Energie abhängt, kann über die Anregungsenergie die Oberflächenempfindlichkeit der Methode gesteuert werden. Durch Aufnahme von Spektren bei verschiedenen Anregungsenergien kann dann leicht zwischen Komponenten unterschieden werden, welche Atomen mit einer spezifischen chemischen Umgebung im Inneren oder an der Oberfläche der Probe zuzuordnen sind. Im Rahmen der Doktorarbeit sind umfangreiche Untersuchungen an verschiedenen Materialien durchgeführt worden. Es konnten Bindungsverhältnisse zwischen Liganden und der Oberfläche der Nanokristalle aufgeklärt werden, was in vielen Fällen zu einem besseren Verständnis beobachtbarer physikalischer oder chemischer Eigenschaften beigetragen hat. Nanostrukturierte Materialien für Anwendungen in der Katalyse Die Möglichkeit zur Manipulation physikalischer und chemischer Eigenschaften nanostrukturierter Systeme eröffnet auch im Bereich der Katalyse neue Perspektiven. Während meines Postdoc-Aufenthaltes am Boreskov Institut für Katalyse habe ich mich mit dotiertem, nanostrukturierten CeO2 befaßt. Dotiertes CeO2 zeichnet sich durch seine hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit aus. Durch Dotierung mit anderen Seltenerdelementen werden nämlich Sauerstofffehlstellen im Gitter erzeugt, was die Wanderung der verbleibenden Suaerstoffionen durch das Gitter ermöglicht. Es ergeben sich zahlreiche Anwendungen, ein Beispiel ist die Herstellung von sauerstoffleitenden Membranen zur Gewinnung von Synthesegas durch partielle Oxidation von Methan. Wichtige Größen wie die Sauerstoffionenmobilität hängen stark von der Mikrostruktur der Materialien und insbesondere von der Art und Konzentration des dotierenden Elementes ab. Vor diesem Hintergrund habe ich mich mit der Untersuchung von Zusammenhängen zwischen Strukturparametern und chemischen Eigenschaften in Hinblick auf die partielle Oxidation von Methan befaßt. Die Untersuchungen haben zum besseren Verständnis von Reaktionsmechanismen bei Verwendung verschiedentlich modifizierter Materialien beigetragen. Modellkatalyse Da reale Katalysatoren häufig sehr komplexe Strukturen aufweisen, ist es für technische Katalysatoren nahezu unmöglich, klare Beziehungen zwischen strukturellen und katalytischen Eigenschaften aufzustellen. Da solche Beziehungen aber von Bedeutung für die gezielte Weiterentwicklung von Katalysatoren sind, hat sich in den vergangenen Jahren das Feld der Modellkatalyse entwickelt. Hier werden Katalysatoren präpariert, welche zwar keine grosstechnische Bedeutung besitzen, dafür aber sehr viel besser definierte Strukturen aufweisen. An diesen Systemen ist es dann möglich, elementare katalytische Prozesse zu studieren und zu klaren Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zu gelangen. Zwei Strategien haben sich bewährt: Zum einen können Modelloberflächen mit hochdefinierten Strukturen im Ultrahochvakuum (UHV) präpariert werden, welche ideale Voraussetzungen für die detaillierte Untersuchung von Reaktionsmechanismen bieten. Da solche UHV-Systeme jedoch vergleichsweise weit von realen Katalysatoren entfernt sind, ist nicht grundsätzlich klar, in wie weit die am Modellsystem gewonnenen Ergebnisse tatsächlich auf reale Systeme übertragbar sind. Ein zweiter Ansatz besteht in der chemischen Präparation von Modellkatalysatoren mit vergleichsweise gut definierten Struktureigenschaften. Jene Systeme sind zwar nicht so gut definiert wie die im UHV präparierbaren Modelloberflächen, sind dafür aber näher an realen Systemen orientiert. Häufig können insbesondere aus der kombinierten Untersuchung von Modellsystemen beider Art entscheidende Erkenntnisse über den Einfluss von Strukturen auf katalytische Eigenschaften gewonnen werden. An den Universitäten Oldenburg und Bremen habe ich mich mit beiden Arten von Modellsystemen beschäftigt. Beispielsweise habe ich die Katalyse der Methanolzersetzung durch mono- und bimetallische Co/Pd-Nanopartikel untersucht. Anwendung kolloidal hergestellter Nanopartikel in der heterogenen Katalyse Ein weiteres Forschungsgebiet betrifft die Einsetzbarkeit kolloidal hergestellter Nanopartikel in der heterogenen Katalyse. Im Gegensatz zu konventionellen Herstellungsverfahren für Trägerkatalysatoren stellt die Kolloidchemie hervorragende Möglichkeiten zur Verfügung, um Eigenschaften wie die Partikelgröße und die Kristallitform gut zu kontrollieren. Da diese Parameter für Aktivitäten und Selektivitäten von entscheidender Bedeutung sein können, besitzen kolloidal hergestellte Nanopartikel ein hohes Anwendungspotential in der Katalyse. Allerdings ist noch weitgehend ungeklärt, welchen Einfluss die Ligandenhülle auf die katalytischen Eigenschaften der Partikel hat. Würde die Ligandenhülle die Oberfläche vollständig bedecken, so würde sie natürlich eine katalytische Aktivität verhindern. Bei nur teilweiser Bedeckung sind hingegen sogar positive Auswirkungen denkbar, da die Ligandenhülle durch sterische oder elektronische Effekte Einfluss auf Selektivitäten nehmen könnte. In diesem Zusammenhang wird in Kooperation zwischen den Universitäten Bremen, Oldenburg und Hamburg das Anwendungspotential ligandenstabilisierter, kolloidal hergestellter Nanopartikel in der heterogenen Katalyse am Beispiel Pt-basierter Nanopartikel untersucht. Anwendung kolloidal hergestellter Nanopartikel in der Photovoltaik Desweiteren befasse ich mich an der Universität Oldenburg mit einem anderen Anwendungsbereich kolloidal hergestellter Nanopartikel, welches wieder an frühere Arbeiten aus der Promotionszeit anknüpft. Halbleiter-Nanokristalle sind aufgrund ihrer steuerbaren optischen Eigenschaften auch für die Photovoltaik potentiell geeignete Systeme. Jedoch ist es bisher nicht gelungen, Solarzellen auf Basis von Kolloiden, sogenannte Hybridsolarzellen, mit hohen Wirkungsgraden herzustellen. Meine aktuelle Forschung konzentriert sich darauf, die Ursachen der begrenzten Effizienz von Polymer/Nanopartikel-Hybridsolarzellen besser zu verstehen, mit dem Ziel diese Systeme dann durch geeignete Konzepte zu verbessern.