XPS macht Oberflächenchemie biobasierter Hybridmaterialien sichtbar

Schon wenige Atomlagen an der Oberfläche bestimmen maßgeblich die Performance von Funktionstexturen – etwa die Sorptionskapazität für Wasser-Schadstoffe oder die Effizienz photokatalytischer Prozesse. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP nutzen die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), um chemische Zustände und Wechselwirkungen an Oberflächen und Grenzflächen biobasierter Kohlenstoff- und organisch-anorganischer Hybridmaterialien präzise zu charakterisieren. Diese Analytik liefert die Basis für das gezielte Materialdesign zukünftiger industrieller Anwendungen.

Analytische Herausforderungen bei biobasierten Hybridsystemen

Biobasierte Materialien vereinen natürliche Rohstoffe mit anorganischen Komponenten für Einsatzbereiche wie Wasseraufbereitung, Katalyse, Elektrochemie und funktionelle Beschichtungen. Da Funktion, Reaktivität und Stabilität entscheidend von den lokalen chemischen Umgebungen abhängen, stoßen konventionelle Analysemethoden oft an ihre Grenzen. Leistungsunterschiede, Alterungsmechanismen oder unerwartetes Materialverhalten bleiben ohne tiefaufgelöste Oberflächenanalytik ungeklärt.

XPS-Oberflächencharakterisierung biobasierter Kohlenstoffe

In Kooperation mit der Arbeitsgruppe Materialchemie von Prof. Andreas Taubert (Universität Potsdam) untersuchte das Fraunhofer IAP Biokohlen aus Kaffeesatz und Orangenschalen, die mit Tonmineralen und Metalloxiden kombiniert wurden. Dr. Jiyong Kim, Experte für Oberflächenanalytik am Fraunhofer IAP, analysierte mittels XPS den Einfluss thermischer Behandlungen und der Hybridisierung auf die Oberflächen- und Grenzflächenchemie.

„XPS ist wie ein äußerst feiner Oberflächenscanner. Damit können 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 aufgelöst noch chemisch aufgeschlossen werden muss“, sagt Kim.

Heterogenität und Strukturänderungen in der Biokohle-Analytik

Aufgrund komplexer pyrolytischer Simultanreaktionen weisen thermisch behandelte Biomasse-Precursor eine heterogene Oberflächenchemie auf. XPS ermöglicht hier die Differenzierung funktioneller Gruppen und struktureller Transformationen. Bei Kaffeesatz-Biokohle belegte die XPS-Analyse eine thermisch induzierte Umstrukturierung zu einer kohlenstoffreicheren, graphitähnlichen Oberflächenphase mit hoher Defektdichte. Das sind Eigenschaften, die die Sorption von Arzneimittelrückständen und Farbstoffen begünstigen.

„Ein detailliertes Verständnis der exakten chemischen Beschaffenheit eines Materials hilft uns nicht nur dabei, seine Zusammensetzung sehr genau zu erfassen, sondern auch die einzelnen Veränderungen nachzuvollziehen, die während einer Anwendung auftreten – beispielsweise bei der Wasserreinigung oder in einem elektrochemischen Bauelement. Diese Veränderungen sind häufig entscheidend, mit anderen Methoden jedoch nur sehr schwer nachweisbar“, erklärt Taubert.

Molekulare Wechselwirkungen an organisch-anorganischen Grenzflächen

In Hybridmaterialien sind organische und anorganische Phasen auf nanoscale Ebene gekoppelt. „Bei 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 Grenzflächen neue chemische Umgebungen entstehen. Mit XPS können wir diese Wechselwirkungen sichtbar machen“, so Kim.

Bei Hybridsystemen aus Orangenschalen-Biokohle, Ton und Titandioxid wies die XPS-Spektroskopie die Ausbildung spezifischer chemischer Bindungen (unter Beteiligung von Ti, O, C und Al) an den Phasengrenzen nach. Bei stickstoffmodifizierten Photokatalysatoren differenzierte XPS zudem präzise zwischen in das TiO₂-Gitter eingebautem Stickstoff und verbliebenen organischen N-Spezies: Das ermöglicht die Optimierung photokatalytischer Abbauprozesse.

Quelle

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP (09/2026)