Grenzflächendiffusion von Wasser- und organischen Molekülen auf Oberflächen von Eisenoxid-Nanopartikeln

 

Eisenoxid-Nanopartikel und ihre Mischferrite sind von zunehmenden Interesse in z. B. der heterogenen Katalyse oder Biomedizin, und Fest-flüssig-Grenzflächen sind in vielen Anwendungen allgegenwärtig. Die experimentelle Charakterisierung dieser Grenzflächen ist jedoch herausfordernd, da der Beitrag des Volumensignals oft das Grenzflächensignal dominiert. Mittels Paarverteilungsfunktionsanalyse von Röntgenbeugungsdaten erlangten wir bereits Einblicke in die Struktur restrukturierter Hydrathüllen um 7 – 15 nm große Eisenoxid-Nanopartikel. Da Restrukturierung mit veränderten dynamischen Eigenschaften einhergeht, ergänzt dieses Projekt unsere strukturellen Arbeiten um dynamische Aspekte.

Die Relaxationszeiten von Rotations- und Translationsdiffusion von Wassermolekülen um Ionen in Lösung unterscheiden sich von denen in Volumenwasser, so dass auch veränderte dynamische Eigenschaften von Wassermolekülen an Nanopartikel-Oberflächen zu erwarten sind. Mit quasielastischer Neutronenstreuung (QENS) können dynamische Prozesse einzelner Moleküle im Orts- und Zeitraum auf Zeitskalen von 10-13 bis 10-7 s erfasst werden, was üblichen Relaxationszeiten von Diffusionsprozessen entspricht. Dieses Projekt hat das Ziel, QENS zur Charakterisierung der Dynamik von Wasser- und Ligandenmolekülen auf Oberflächen von Eisenoxid-NP zu etablieren. Aus den QENS-Daten können die Diffusionsarten von Wasser- und Ligandenmolekülen auf den Nanopartikeln, wie Translations-oder Rotationsdiffusion, abgeleitet werden. Temperaturabhängige Messungen erlauben Zugang zu den Aktivierungsenergien der Bewegungen. Durch das Projekt wird daher ein tieferes Verständnis der Dynamik von Wasser- und Ligandenmolekülen um Eisenoxid-NP erzielt, was von Relevanz ist für Nanomaterialien, Mineralogie oder Katalyse.

  QENS-Schema Urheberrecht: © MZ

Die Abbildung zeigt schematisch das Signal einer elastischen Linie bei einer Temperatur T1, bei welcher keine dynamischen Prozesse auftreten. Durch Erhöhung der Temperatur der Probe auf T2 > T1 wird ein dynamischer Prozess angeregt, z. B. die Diffusion eines Moleküls auf einer Oberfläche. Dieser Diffusionsprozess erzeugt ein quasielastisches Signal, das einen breiteren Beitrag (rote Kurve) liefert.

 

An dem Thema arbeitende Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter:

Prof. Dr. Mirijam Zobel
M. Sc. Anna Feghelm (Doktorandin)

Publikationen:

Eckardt, Mirco; Thomae, Sabrina L. J.; Dulle, Martin; Hörner, Gerald; Weber, Birgit; Förster, Stephan; Zobel, Mirijam*: Long-term colloidally stable dispersions of 5 nm sized mixed metal ferrites. ChemistryOpen (2020), 9, 1214–1220; https://doi.org/10.1002/open.202000313

Thomä, Sabrina; Krauss, Sebastian W.; Eckardt, Mirco; Chater, Phil; Zobel, Mirijam*: Atomic insight into hydration shells around facetted nanoparticles. Nature Communications vol. 10 (2019) issue 1; https://doi.org/10.1038/s41467-019-09007-1

  DFG Urheberrecht: © DFG

Förderung:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projekttitel: Diffusion von Wasser-, Diethylenglykol- und Zitratmolekülen auf Eisenoxid-Nanopartikeloberflächen via Quasielastischer Neutronenstreuung
Förderkennzeichen: ZO 369/3-1