Synthese nanostrukturierter Metalloxide mit anisotroper Morphologie

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, kristalline, nano- oder mikrostrukturierte Metalloxide mit anisotroper Morphologie herzustellen oder durch Exfolation zu gewinnen, und diese mit Nanopartikeln edler Metalle bzw. Metalloxiden zu modifizieren, damit diese für die (Photo-)Katalyse oder andere Prozesse einsetzbar sind. Dafür mussten Zielverbindungen identifiziert sowie deren Synthese geplant und durchgeführt werden. Für die Verwendung der Metalloxide in der Photokatalyse war es das Ziel, durch die Kontrolle der Keimbildungs- und Keimwachstumsprozesse ein einheitliches Partikelwachstum zu induzieren und die Kristallisation der Keime zu gewährleisten. So wurden hochkristalline Molybdate und Wolframate (β-Ag2MoO4, β/γ-Ag2WO4, β-SnMoO4, β-SnWO4) in verschiedenen, neuen Morphologien erhalten (Tetraeder, gekappte Tetraeder, Oktaeder, gekappte Oktaeder), deren Bandlücken im sichtbaren Bereich des Lichts liegen. Ein teilweiser Austausch des komplexen Anions kann zur weiteren Anpassung der Bandlücke an das Sonnenspektrum genutzt werden. Ein solcher Austausch zur Verkleinerung der Bandlücke von 3,4 auf 2,3 eV konnte am Beispiel von Ag2MoO4 zu Ag2Cr0,05Mo0,95O4 hier durchgeführt werden.
Für die Verwendung in der Katalyse und der Sensorik wurden verschiedene Schichtoxide zu Nanoröhrchen (Titanate, VOx) exfoliert. Die durch Exfolation erreichte hohe spezifische Oberfläche im Vergleich zum Volumenmaterial war dabei ein für die Katalyse wichtiger Faktor. Die katalytische Aktivität in der H2O2-Direktsynthese wurde an Titanat-Nanoröhrchen (TNR) mit Palladium in Flüssigphase bei Raumtemperatur getestet (PD Dr. Silke Behrens, IKFT, KIT), wohingegen die CO-Oxidation in katalytischen Tests an TNR-Pt bei 400 °C in der Gasphase erprobt wurde (Dr. Maria Casapu, Prof. Dr. Jan-Dierk Grunwaldt, ITCP, KIT). Weiterhin zeigen die palladium-modifizierten VOx-Nanoröhrchen katalytische Aktivität in der selektiven katalytischen Reduktion von NO mit H2 (Dr. Patrick Lott, Prof. Dr. Olaf Deutschmann, ITCP, KIT) mit einem Umsatz von 40 % NO zwischen 200 und 300 °C. In allen Fällen waren die katalytischen Tests erfolgreich und zeigten mit den besten Werten der Literatur vergleichbare Aktivitäten.