{"id":182508,"date":"2026-10-16T07:20:00","date_gmt":"2026-10-16T05:20:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=182508"},"modified":"2026-10-13T12:52:19","modified_gmt":"2026-10-13T10:52:19","slug":"analytik-fur-die-materialentwicklung-xps-macht-die-oberflachenchemie-biobasierter-hybridmaterialien-sichtbar","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/analytik-fur-die-materialentwicklung-xps-macht-die-oberflachenchemie-biobasierter-hybridmaterialien-sichtbar\/","title":{"rendered":"Analytik f\u00fcr die Materialentwicklung: XPS macht die Oberfl\u00e4chenchemie biobasierter Hybridmaterialien sichtbar"},"content":{"rendered":"\n\n
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Dr. Jiyong Kim analysiert am Fraunhofer IAP die chemische Zusammensetzung komplexer Materialoberfl\u00e4chen mit Hilfe von XPS.
\u00a9 Fraunhofer IAP \/ Jadwiga Galties<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Nur wenige Atomlagen an der Oberfl\u00e4che k\u00f6nnen ma\u00dfgeblich beeinflussen, wie wirksam ein Material Schadstoffe aus Wasser bindet oder wie effizient ein Photokatalysator auf Licht reagiert. Forschende des Fraunhofer-Instituts f\u00fcr Angewandte Polymerforschung IAP nutzen die R\u00f6ntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), um chemische Zust\u00e4nde und Wechselwirkungen an den Oberfl\u00e4chen und Grenzfl\u00e4chen biobasierter Kohlenstoffmaterialien und organisch-anorganischer Hybridmaterialien zu untersuchen. Ihre Erkenntnisse k\u00f6nnen die gezielte Entwicklung funktionaler Materialien f\u00fcr zuk\u00fcnftige industrielle Anwendungen unterst\u00fctzen.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Biobasierte Materialien und verwandte Hybridsysteme werden f\u00fcr ein breites Spektrum von Anwendungen erforscht, darunter die Wasseraufbereitung, katalytische Prozesse, elektrochemische Bauelemente und funktionelle Beschichtungen. Sie kombinieren nat\u00fcrliche Rohstoffe mit anorganischen Materialien und vereinen so die Eigenschaften beider Materialklassen.<\/p>\n\n\n

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\"Aus
Aus Kaffeesatz wird Biokohle: XPS hilft, die chemischen Ver\u00e4nderungen an der Oberfl\u00e4che infolge der thermischen Behandlung zu verstehen. \u00a9 Fraunhofer IAP \/ Jadwiga Galties<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Funktion, Reaktivit\u00e4t und Stabilit\u00e4t biobasierter Hybridmaterialien k\u00f6nnen stark von den chemischen Umgebungen an ihren Oberfl\u00e4chen und Grenzfl\u00e4chen abh\u00e4ngen. Viele konventionelle Analysemethoden erm\u00f6glichen jedoch nur einen begrenzten Zugang zu diesen Prozessen. F\u00fcr die Materialentwicklung bedeutet dies, dass die Ursachen f\u00fcr Leistungsunterschiede, Alterungseffekte oder unerwartetes Materialverhalten h\u00e4ufig unklar bleiben.<\/p>\n\n\n\n

Kaffeesatz, Orangenschalen und komplexe Oberfl\u00e4chen: Was XPS \u00fcber ihre Chemie verr\u00e4t<\/h3>\n\n\n\n

In einer Reihe gemeinsamer Studien unter der Leitung der Arbeitsgruppe Materialchemie von Professor Andreas Taubert an der Universit\u00e4t Potsdam wurden biobasierte Kohlenstoff- und Hybridmaterialien f\u00fcr Anwendungen in der Wasseraufbereitung entwickelt und untersucht. Das Fraunhofer IAP steuerte detaillierte XPS-Charakterisierungen bei, die sich auf die Oberfl\u00e4chenzusammensetzung, chemische Zust\u00e4nde und Wechselwirkungen an Grenzfl\u00e4chen konzentrierten. Kaffeesatz und Orangenschalen dienten als erneuerbare Ausgangsmaterialien zur Herstellung von Biokohle, die anschlie\u00dfend mit Tonmineralen und Metalloxiden kombiniert wurde.<\/p>\n\n\n\n

Im Mittelpunkt der XPS-Analysen stand die Frage, wie die Herstellung dieser biobasierten Hybridmaterialien und ihre Kombination mit anorganischen Komponenten die Chemie ihrer Oberfl\u00e4chen und Grenzfl\u00e4chen ver\u00e4ndern. Um Antworten darauf zu finden, untersuchte Dr. Jiyong Kim, Experte f\u00fcr Oberfl\u00e4chenanalytik am Fraunhofer IAP, mithilfe von XPS, wie die thermische Behandlung und die Hybridbildung die Oberfl\u00e4chen- und Grenzfl\u00e4chenchemie der organisch-anorganischen Hybridmaterialien beeinflussen. Dabei wird die Materialoberfl\u00e4che mit R\u00f6ntgenstrahlung bestrahlt und die Energie der austretenden Photoelektronen gemessen.<\/p>\n\n\n\n

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\u00bbXPS ist wie ein \u00e4u\u00dferst feiner Oberfl\u00e4chenscanner. Damit k\u00f6nnen wir die obersten 1 bis 10 Nanometer eines Materials wie eine chemische Landkarte lesen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Analyse nur eine minimale Probenvorbereitung erfordert und das Material weder aufgel\u00f6st noch chemisch aufgeschlossen werden muss\u00ab, sagt Kim.<\/strong><\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Biokohle: Warum ihre Analyse so anspruchsvoll ist<\/h3>\n\n\n\n

Materialien aus nat\u00fcrlichen Rohstoffen sind chemisch wesentlich komplexer als konventionelle Laborchemikalien. Bei der thermischen Behandlung von Biomasse wie Kaffeesatz oder Orangenschalen laufen beispielsweise zahlreiche Reaktionen gleichzeitig ab. Dabei entstehen Kohlenstoffmaterialien mit einer heterogenen und teilweise unerwarteten Oberfl\u00e4chenchemie, die sich nicht durch eine einzige chemische Struktur beschreiben l\u00e4sst. Mithilfe von XPS k\u00f6nnen diese komplexen Oberfl\u00e4chen differenzieren und R\u00fcckschl\u00fcsse darauf ziehen, wie ein Material entstanden ist und welche Eigenschaften f\u00fcr seine sp\u00e4tere Anwendung relevant sein k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Bei Biokohle aus Kaffeesatz zeigte die XPS-Analyse, dass die thermische Behandlung den Kohlenstoff an der Oberfl\u00e4che neu strukturierte. Dadurch entstand eine kohlenstoffreichere, graphit\u00e4hnliche Struktur, die dennoch chemisch heterogen blieb und zahlreiche Defektstellen aufwies. Solche Oberfl\u00e4cheneigenschaften k\u00f6nnen Wechselwirkungen mit Arzneimittelwirkstoffen, Farbstoffen und anderen organischen Schadstoffen f\u00f6rdern. Damit sind sie insbesondere f\u00fcr Materialien relevant, die in der Wasseraufbereitung eingesetzt werden.<\/p>\n\n\n\n

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\u00bbEin detailliertes Verst\u00e4ndnis der exakten chemischen Beschaffenheit eines Materials hilft uns nicht nur dabei, seine Zusammensetzung sehr genau zu erfassen, sondern auch die einzelnen Ver\u00e4nderungen nachzuvollziehen, die w\u00e4hrend einer Anwendung auftreten \u2013 beispielsweise bei der Wasserreinigung oder in einem elektrochemischen Bauelement. Diese Ver\u00e4nderungen sind h\u00e4ufig entscheidend, mit anderen Methoden jedoch nur sehr schwer nachweisbar\u00ab, erkl\u00e4rt Taubert.<\/strong><\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

XPS gibt Einblicke in die Chemie an organisch-anorganischen Grenzfl\u00e4chen<\/h3>\n\n\n\n

In biobasierten Hybridmaterialien sind organische und anorganische Komponenten auf sehr kleinen L\u00e4ngenskalen miteinander verbunden. Die Vorg\u00e4nge an ihren Grenzfl\u00e4chen k\u00f6nnen die sp\u00e4teren Materialeigenschaften ma\u00dfgeblich beeinflussen.<\/p>\n\n\n\n

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\u00bbBei Hybridmaterialien reicht es nicht aus, zu wissen, welche Elemente vorhanden sind. Entscheidend ist, wie die organischen und anorganischen Komponenten miteinander wechselwirken und ob an ihren Grenzfl\u00e4chen neue chemische Umgebungen entstehen. Mit XPS k\u00f6nnen wir diese Wechselwirkungen sichtbar machen\u00ab, so Kim.<\/strong><\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Bei Hybridsystemen aus Orangenschalen-Biokohle, Ton und Titandioxid zeigte die Analyse, dass die organischen und anorganischen Komponenten w\u00e4hrend der thermischen Verarbeitung an ihren Grenzfl\u00e4chen chemische Bindungen unter Beteiligung von Titan, Sauerstoff, Kohlenstoff und Aluminium bilden. Bei stickstoffmodifizierten Photokatalysatoren half XPS au\u00dferdem dabei, Stickstoff, der in titanhaltige anorganische Strukturen eingebaut war, von verbliebenen stickstoffhaltigen organischen Verbindungen zu unterscheiden. Solche Materialien k\u00f6nnen Schadstoffe nicht nur binden, sondern diese mithilfe ihrer photokatalytischen Eigenschaften und unter Einwirkung von Licht auch abbauen.<\/p>\n\n\n\n

Oberfl\u00e4chenanalytik unterst\u00fctzt die Entwicklung biobasierter Materialien<\/h3>\n\n\n\n

Mithilfe von XPS unterst\u00fctzt das Fraunhofer IAP Unternehmen und Forschungspartner dabei, die komplexe Oberfl\u00e4chenchemie biobasierter Materialien gezielt zu verstehen und die Ursachen f\u00fcr Leistungsunterschiede zu identifizieren. Dazu z\u00e4hlen beispielsweise die Untersuchung von Schwankungen zwischen Produktionschargen, Alterungsprozessen, Oberfl\u00e4chenmodifizierungen sowie chemischen Wechselwirkungen mit Schadstoffen und anderen Molek\u00fclen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse k\u00f6nnen dazu beitragen, Materialrezepturen und Herstellungsprozesse systematisch zu optimieren und robuste, reproduzierbare Materialien f\u00fcr industrielle Anwendungen zu entwickeln. Angesichts des wachsenden industriellen Interesses an erneuerbaren Rohstoffen zeigen die Ergebnisse zudem Potenziale f\u00fcr weitere gemeinsame Forschungsprojekte zu biobasierten Kohlenstoffmaterialien, Katalysatoren, Beschichtungen, Polymerverbundwerkstoffen und anderen Materialien mit komplexen Oberfl\u00e4chen und Grenzfl\u00e4chen auf.<\/p>\n\n\n\n

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Kontakt<\/h3>\n\n\n\n
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Dr. Jiyong Kim, Oberfl\u00e4chenanalyse Fraunhofer IAP
Tel.:\u00a0+49 331 568-1925<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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