UV/Vis-Raman-Spektrometer
Final Report Abstract
Die Ramanspektroskopie stellt eine wichtige schwingungsspektroskopische Methode zur Charakterisierung von Katalysatoren, Gassensoren und Batteriematerialien - auch unter den jeweiligen Arbeitsbedingungen - dar. Insbesondere durch die Verwendung einer durchstimmbaren Anregungsquelle im NIR, Sichtbaren (VIS) und UV wird die Flexibilität der Methodik stark erhöht, da einerseits Fluoreszenzeffekte umgangen bzw. verringert werden können, andererseits gezielte Resonanz-Raman (RR)-Untersuchungen zugänglich werden. Im Rahmen der ersten vier Jahre nach Inbetriebnahme wurden bzw. werden folgende Forschungsprojekte und wissenschaftlichen Arbeiten verfolgt: (i) Das durchstimmbare Lasersystem wurde an die Spektrometereinheit bestehend aus Mikroskop und Dreifach-Spektrometer adaptiert. Auf diese Weise konnte erstmals die durchstimmbare konfokale Raman-Spektroskopie zur in situ-Diagnostik von Katalysatormaterialien etabliert und anhand von Vanadiumoxid-Katalysatoren demonstriert werden. (ii) Laufende Arbeiten zeigen das Potential der UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie als neuartige Methode zur ultrasensitiven Detektion disperser Übergangsmetalloxid-Materialien für die Katalyse. So konnten z.B. im Falle von Vanadiumoxid- und Titanoxid-Materialien Beladungsdichten < 0.001 V/nm2 bzw. < 0.001 Ti/nm2 nachgewiesen werden. (iii) In detaillierten Untersuchungen an dispersen Vanadiumoxid-Katalysatoren und Titanoxid- Materialien mittels UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie in Kombination mit Kraftfeldanalyse konnten neue wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Interpretation der Schwingungsstruktur von Übergangsmetalloxid-Aggregaten sowie der Struktur der Vanadiumoxid- und Titanoxid- Oberflächenspezies gewonnen werden. (iv) Erste Arbeiten an Cerdioxid-haltigen NOx-Speicher-Reduktions-Katalysatoren mittels VIS- und UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie deuten auf das Potential der Methodik zum Nachweis von Sauerstoffleerstellen in Cerdioxid-Materialien hin. So konnte z.B. im Vergleich zu nicht-resonanzverstärkter Raman-Spektroskopie eine signifikante Erhöhung der Intensität der D- Bande um 600 cm^-1 beobachtet werden. Die Raman-Experimente werden derzeit an Bariumoxid/Ceroxid-Mischsystemen fortgeführt. (v) Um die Möglichkeiten der Raman-Diagnostik von Kathodenmaterialien in Interkalationsbatterien wie z.B. Oxiden des Typs LixMOy (M = Co, Ni, Mn) bzw. davon abgeleiteten binären und ternären Systemen zu erweitern, befaßt sich ein laufendes Projekt mit der gezielten Verstärkung von Ramanintensitäten mit Hilfe von Resonanz-Effekten. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnte im Falle von LiCoO2-Materialien erstmals eine Resonanz-Raman-Verstärkung für Laseranregung im Grünen nachgewiesen werden. Es wird derzeit ausgelotet, inwieweit auch bei den anderen Kathodenmaterialien mittels VIS- bzw. UV-Anregung eine Signalverstärkung möglich ist. Zudem wurden erste Untersuchungen an kohlenstoffhaltigen Materialien für die Anodenseite von Li-Ionen-Batterien durchgeführt. (vi) Aktuelle methodische Weiterentwicklungen haben zu einer signifikanten Erhöhung der Empfindlichkeit des Aufbaus geführt und ermöglichen nun erstmals auch die Untersuchung chemisch hergestellter Modelle für Vanadiumoxid-Katalysatoren auf Basis planarer Substrate.
Publications
- In situ diagnostics of catalytic materials using tunable confocal Raman spectrocopy. J. Raman Spectrosc. 2013, 44, 1733
David Nitsche and Christian Hess
- Insight into the structure of dispersed vanadia: A combined in situ UV Raman and normal coordinate analysis. Catal. Commun. 2014, 52, 40
David Nitsche and Christian Hess
- New Insight into the structure of dispersed titania by combining normal-mode analysis with experiment. Chem. Phys. Lett. 2014, 616- 617, 115
David Nitsche and Christian Hess
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cplett.2014.10.042)
