Struktur und Dynamik von wässrigen atmosphärischen Oberflächen

Oberflächen sind in der Atmosphäre besonders wichtig, nicht nur wegen des großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen von Tröpfchen und Aerosolpartikeln, sondern auch, weil die Oberfläche ein wichtiger Ort für eine Vielzahl von chemischen Prozessen ist. Zu diesen Prozessen gehören z. B. viele heterogene photochemische Vorgänge, Stofftransport, Phasenübergänge und auch die Kondensation, die für das Wolkenwachstum notwendig ist. Wir sind daran interessiert, sowohl die Oberflächenstruktur komplexer wässriger Systeme als auch die Einflüsse der Oberflächengeometrie auf die Photochemie zu verstehen. Mit Hilfe der Summenfrequenzspektroskopie können wir das Verhalten von umweltrelevanten Oberflächen auf molekularer Ebene untersuchen.

Benetzung auf molekularer Ebene

Interessanterweise hängen die Benetzungseigenschaften fester Materialien hauptsächlich von der letzten Molekularschicht an einer Grenzfläche ab: Glas benetzt sehr gut, während Glas, das mit einer hydrophoben, molekularen Dünnschicht verunreinigt ist, schlecht benetzt. Obwohl viel Zeit und Forschung in die Benetzung investiert wurde, gibt es noch viele Unbekannte, die es zu verstehen gilt.

Unser Ziel ist es, das Verständnis des Benetzungsprozesses auf molekularer Ebene zu verbessern, indem wir die gegenseitige Beeinflussung von Wasser- und Substratmolekülen untersuchen, wenn sie zusammengebracht werden. Zu diesem Zweck arbeiten wir mit reaktionsfähigen Polymeren, deren Hydrophobie durch äußere Reize wie pH-Wert oder Licht gesteuert werden kann. Wir untersuchen diese Polymere mit Hilfe der Summenfrequenzgenerations-Spektroskopie. Diese Experimente ermöglichen es uns, Unterschiede in der Struktur und Umgebung von Grenzflächenmolekülen wahrzunehmen, wenn wir die Hydrophobizität des Polymers verändern. Dieses Projekt wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert und ist Teil des SPP 2171 - Dynamic Wetting of Flexible, Adaptive, and Switchable Surfaces.

Untersuchung von Katalysator-Flüssigkeits-Grenzflächen zur Aufklärung der Molekularstruktur, der Reaktionsmechanismen und der Grenzflächendynamik

Viele wichtige chemische Reaktionen finden an Grenzflächen statt. Unser derzeitiger Schwerpunkt ist die Untersuchung der durch Sonnenlicht angetriebenen Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff an Oxidoberflächen, die eine vielversprechende Methode zur Herstellung von kohlenstoffneutralem Wasserstoff als Kraftstoff darstellt. Derzeit müssen die Umwandlungsraten von Katalysatoren noch erheblich gesteigert werden, um industriell genutzt werden zu können. Außerdem ist wenig über die Grundlagen der heterogen katalysierten Reaktion bekannt. Ein besseres Verständnis des Katalyseprozesses würde jedoch eine rationellere Verbesserung der Katalysatoren und der Umwandlungsraten ermöglichen. Um dieses Problem anzugehen, führen wir grundlegende Studien an Photokatalysator-Wasser-Grenzflächen durch, um die molekulare Struktur und Dynamik sowie die Reaktionsmechanismen zu untersuchen. Unser Hauptwerkzeug für diese Aufgabe ist die Summenfrequenzgenerations-Spektroskopie, die wir erweitern, um Pump-Probe- und/oder phasenaufgelöste Experimente zu ermöglichen. Derzeit sind wir besonders an Katalysatoren aus TiO2, SrTiO3, BiVO4 und Spinelloxiden interessiert. Dieses Projekt wird vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) finanziert und ist Teil des Sonderforschungsprogramms "TAming COmplexity in Materials Modeling, TACO" (Projekt Nr. F 81-N) (https://sfb-taco.at/).