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Nanometergroße
Cerdioxid-Kristalle (CeO2) werden in wässriger
Lösung aus Ce(IV)-Polymeren
(Dimeren und Trimeren) gebildet.
Die Nanokristalle haben eine
Größe zwischen zwei
und drei Nanometern.
Bild: A. Ikeda-Ohno
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Hochbegabungspresse
Nanokristallines Cerdioxid (CeO2) wird vielseitig
eingesetzt, angefangen von Katalysatoren bis hin zu Sonnencremes oder
medizinischen Präparaten.
Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR)
und der University of New South Wales in Sydney, Australien, konnten erstmals
den Wachstumsmechanismus beobachten und entdeckten so, wie man die Produktion
dieses begehrten Nanomaterials erheblich vereinfachen kann.
Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Chemistry –
A European Journal“ (DOI: 10.1002/chem.201204101) nachzulesen.
Cer gehört zur Gruppe der Seltenerd-Metalle. Sein Oxid
findet in nanokristalliner Form einen breiten industriellen Einsatz,
beispielsweise für Elektroden in Brennstoffzellen oder in Katalysatoren von
Kraftfahrzeugen, wo es giftiges Kohlenstoffmonoxid in Kohlenwasserstoffe
umwandelt. Nicht zuletzt dient Ceroxid als Schleif- oder Poliermittel in der
Halbleiterindustrie.
Mit aufwendigen Studien ist es den Wissenschaftlern Dr.
Atsushi Ikeda-Ohno von der University of New South Wales, Australien, und Dr.
Christoph Hennig vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
vor kurzem gelungen, ein vereinfachtes Konzept für die industrielle Synthese
von nanokristallinem Cerdioxid zu entwickeln. „Hierzu mussten wir zunächst
herausfinden, wie sich die Nanokristalle auf atomarer Ebene bilden“, erklärt
Dr. Ikeda-Ohno. Ausgefeilte spektroskopische Methoden waren also gefragt. Zum
Einsatz kam das brillante Röntgenlicht an der European Synchrotron Radiation
Facility (ESRF), der europäischen Synchrotronquelle im französischen Grenoble,
und am japanischen Synchrotron SPring-8 in Hyogo.
Die Geburt metallischer Nanopartikel
Bisher war es nicht möglich, derartigen Nanokristallen
direkt beim Wachsen zuzusehen, weil geeignete analytische Techniken fehlten.
Typischerweise nutzte man hierfür unterschiedliche
Elektronenmikroskope oder auch einen Röntgendiffraktometer und musste dazu die
Nanokristalle von der Lösung abtrennen. Damit können zwar die Partikel selbst
analysiert werden, nicht jedoch ihre Entstehung, welche in der Lösung abläuft.
Dr. Ikeda-Ohno: „Wir haben verschiedene spektroskopische Techniken, wie z. B.
dynamische Lichtstreuung, Röntgenabsorptions-Spektroskopie und
Hochenergie-Röntgenstreuung kombiniert, und konnten erstmals die Formation von
nanokristallinem Cerdioxid in einer wässrigen Lösung live beobachten.“
Diese Einblicke erlauben es, den Produktionsprozess von
Cerdioxid grundlegend zu vereinfachen. Das Ergebnis: Wird der pH-Wert für
vierwertiges Cer in wässriger Lösung richtig eingestellt, bilden sich
gleichmäßige Nanopartikel von Cerdioxid. Eine physikalische oder chemische
Nachbehandlung wie z. B. der Zusatz von Beschleunigersubstanzen kann entfallen.
Die Forscher fanden auch heraus, dass die auf derart einfache Art produzierten
Cerdioxid-Kristalle eine Größe von zwei bis drei Nanometern besitzen, und zwar
weitgehend unabhängig von den konkreten Umgebungsbedingungen. Damit liegen die
Nanopartikel genau in dem für industrielle Produkte interessanten Bereich. Als
Schlüsselentdeckung werten sie zudem, dass vierwertiges Cer nur dann
Cerdioxid-Kristalle im Nanometerbereich ausbildet, wenn es zuvor in der Lösung
entweder als Dimer oder als Trimer vorliegt.
„Wir freuen uns besonders darüber, dass unser
multispektroskopischer Ansatz auch sehr einfach auf jede andere Sorte metallischer
Nanokristalle übertragen werden kann und wir so die Türen öffnen für deren
weitere Erforschung“, sagt Dr. Christoph Hennig vom Dresdner Helmholtz-Zentrum.
„Dafür bietet die eigene Messstation des HZDR an der ESRF allerbeste
Voraussetzungen.“
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Publikation:
A. Ikeda-Ohno u.a., Chem. Eur. J., 19(23), 7348-7360
(2013), DOI-Link:
10.1002/chem.201204101.
Das Fachmagazin „Chemistry – A European Journal“ widmete
der Veröffentlichung das Titelbild.
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Bildunterschrift:
Nanometergroße Cerdioxid-Kristalle (CeO2) werden in
wässriger Lösung aus Ce(IV)-Polymeren (Dimeren und Trimeren) gebildet. Die
Nanokristalle haben eine Größe zwischen zwei und drei Nanometern. Bild: A.
Ikeda-Ohno ____________________________ Weitere Informationen:
Dr. Atsushi Ikeda-Ohno
School of Civil and Environmental Engineering The
University of New South Wales UNSW, Sydney, New South Wales 2052, Australia
Tel.: +61 2 9385 0128
Dr. Christoph Hennig | Dr. Vinzenz Brendler Institut für
Ressourcenökologie im HZDR Rossendorf Beamline an der ESRF/Grenoble
Tel.: +33 476 88 - 2005 | +49 351 260 - 3210 hennig@esrf.fr | v.brendler@hzdr.de
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Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie,
Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
* Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher
und nachhaltig?
* Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert,
charakterisiert und wirksam behandelt werden?
* Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem
Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden
fünf Großgeräte mit einzigartigen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die
auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.
Das HZDR ist seit 2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft,
der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte in
Dresden, Leipzig, Freiberg und Grenoble und beschäftigt rund 1.000 Mitarbeiter
– davon ca. 450 Wissenschaftler inklusive 160 Doktoranden.
Christine Bohnet
_ Abteilung Kommunikation und Medien
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Dr. Dr. h. c.
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