UV-Photoelektronenspektroskopie an massen-separierten Clusteranionen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kleinste Nanopartikel aus wenigen Atomen haben besondere Eigenschaften, die in der Zukunft helfen können, Probleme zu lösen. Ein solches Problem ist die Speicherung von Wasserstoff. Wasserstoff verbrennt mit Sauerstoff zu Wasser und ist daher ein attraktiver Energieträger, zum Beispiel als Treibstoff für Autos. Allerdings lässt sich dieses leichte Gas nur schwer speichern und bisher wurde es unter sehr hohem Druck in dickwandigen Stahltanks gelagert. Nanopartikel können Wasserstoff chemisch binden und aufsaugen wie ein Schwamm. Teilchen der richtigen Größe und aus dem richtigen Material könnten ideale Wasserstoffspeicher sein, so dass das explosive Gas ohne Druck und bei normaler Temperatur gespeichert werden könnte. Im Rahmen des Projektes wurde systematisch die Bindung von Wasserstoff an verschiedenen Metallclustern untersucht, um zunächst ein tieferes Verständnis der Bindungsmechanismen zu erhalten. Die Chemisorption von Wasserstoff wurde mit der von Sauerstoff und Stickstoff verglichen, um so ein breiteres Bild der chemischen Eigenschaften dieser kleinsten Teilchen zu erhalten. In der Zukunft werden diese ersten Ergebnisse vielleicht die Grundlage für neue Clustermaterialien - zum Beispiel für die Wasserstoffspeicherung - und neue Katalysatoren bilden. Eine positive Überraschung ist die Entdeckung der molekularen Chemisorption von Sauerstoff an Goldclusteranionen. In den meisten Fällen dissoziiert Sauerstoff in Kontakt mit Metallatomen. Die Tatsache, dass sich Sauerstoff leicht an Goldclusteranionen mit einer ungeraden Zahl von Atomen bindet und dabei nicht dissoziiert, ist eine wichtige Information für ein tieferes Verständnis der außergewöhnlichen katalytischen Eigenschaften kleinster deponierter Goldcluster. Eine weitere Überraschung war die molekulare Chemisorption von Stickstoff an Wn Clustern. Insgesamt scheint bei Nanopartikeln eine Tendenz zu molekularer Chemisorption vorzuherrschen. Die intakt adsorbierten Moleküle sind stark aktiviert. Das heißt, ihre interne Bindung ist geschwächt, aber nicht gebrochen. Vielleicht erklärt diese Tendenz die besonderen katalytischen Eigenschaften von Nanopartikeln im Allgemeinen. Eine Überraschung im eher negativen Sinn war die neue Interpretation der magischen Zahlen der TinCm Cluster. Insbesondere der Ti12C22 Cluster, der von der Gruppe W.Castleman von der PennState University als möglicher Kandidat für eine Doppelkäfigstruktur vorgeschlagen wurde, passte nach den Erkenntnissen des Antragsteller eher in eine Serie von Festkörper-ähnlichen Würfeln (Ti13C14 als 3x3x3 Würfel). Der Überschuss von 8 Kohlenstoffatomen kann durch C2-Dimere an den acht Ecken des Würfels erklärt werden. Die Massenspektren und Photoelektronenspektren des Antragstellers bestätigen damit eine frühere Analyse der Gruppe von Lai-Sheng Wang vom PNNL, die ebenfalls die "multicage"-Struktur verworfen hatte. Die Reaktion von Wasserstoff mit Metallclustern ist mit der Problematik der Wasserstoffspeicherung verknüpft. Der Inhalt einer jüngeren Publikation des Antragstellers in "Science", die auf der Basis der älteren Ergebnisse aus dem vorliegende Projekt entstanden ist, wurde von der Universität Konstanz in einer Pressemitteilung veröffentlicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Al3H and Al3H6: Magic Clusters with Unmagical Properties". Phys. Rev. Lett. 86, 692 (2001)
B.K.Rao, P.Jena, S.Burkart, G.Ganteför and G.Seifert
- "Production of large metallocarbohedrene clusters using a pulsed arc cluster ion source". Euro. Phys. J. D 17, 37 (2001)
N. Blessing, S. Burkart, and G. Ganteför
- "Chemisorption on small clusters: Can vertical detachment energy measurements provide chemical information? H on Au as a case study". Chem. Phys. Lett. 361, 389 (2002)
D. Fischer, W. Andreoni, A. Curioni, H. Grönbeck, S. Burkart, and G. Gantefoer
- "Highest Electron Affinity as a Predictor of Cluster Anion Structures". Nature Materials 1, 49 (2002)
L. Kronik, R. Fromherz, Eunjung Ko, G. Ganteför, J. R. Chelikowsky
- "Isomer-resolved ion spectroscopy". Phys. Rev. Lett. 89, 083001 (2002)
R. Fromherz, G. Gantefoer, and A. A. Shvartsburg
- "Anormalous behaviour of atomic hydrogen interacting with gold clusters". J. Am. Chem. Soc. 125, 14205 (2003)
S. Burkart, G. Ganteför, Y. D. Kim, and P. Jena
- "Direct observation of key reaction intermediates on gold clusters". J. Am. Chem. Soc. 125, 2848 (2003)
D. Stolcic, M. Fischer, G. Ganteför, and Young Dok Kim
- "N2 chemisorption to Wn- - nanoclusters: molecular versus dissociative chemisorption". Chem. Phys. Lett. 380, 359 (2003)
Young Dok Kim, D. Stolcic, M. Fischer and G. Ganteför
- "Non-dissociative adsorption of diatomic molecules on nanoclusters at room temperature". Chem. Phys. Lett. 382, 644 (2003)
Young Dok Kim and G.Ganteför
- "Origin of the unusual catalytic activities of Au-based catalysts". Chem. Phys. Lett. 377,170 (2003)
Y. D. Kim, M. Fischer, and G. Ganteför
- "Photoemission spectra of deuterated silicon clusters: experiment and theory". Euro. Phys. J. D 24, 33-36(2003)
L. Kronik, R. Fromherz, Eunjung Ko, G. Ganteför, and J. R. Chelikowsky
- "Reaction of tungsten anion clusters with molecular and atomic nitrogen". J. Chem. Phys. 119,10307 (2003)
Young Dok Kim, Davor Stolcic, Matthias Fischer, Gerd Ganteför
- "Effect of sequential oxidation on the electronic structure of tungsten clusters". Chem. Phys. Lett. 387, 29 (2004)
Q. Sun, B. K. Rao, P. Jena, D. Stolcic, G. Ganteför, and Y. Kawazoe
