Bereits wenige atomare Schichten an der Materialoberfläche können entscheidend darüber bestimmen, wie effektiv ein Werkstoff Schadstoffe aus Wasser bindet oder wie effizient ein Photokatalysator auf Licht reagiert. Forschende am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) nutzen daher die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), um chemische Zustände und Wechselwirkungen an Oberflächen und Grenzflächen biobasierter Kohlenstoffmaterialien sowie organisch-anorganischer Hybridmaterialien zu untersuchen.
Die XPS basiert auf dem photoelektrischen Effekt: Röntgenphotonen bekannter Energie $h\nu$ stoßen Elektronen aus den inneren Atomhüllen der Probe heraus. Aus der gemessenen kinetischen Energie der Photoelektronen ergibt sich die Bindungsenergie nach
$$E_B = h\nu - E_{kin} - \phi$$wobei $\phi$ die Austrittsarbeit des Spektrometers bezeichnet. Da nur Elektronen aus den obersten wenigen Nanometern die Oberfläche ohne Energieverlust verlassen können, ist die Methode äußerst oberflächenempfindlich und liefert präzise Informationen zur elementaren Zusammensetzung, zu Oxidationsstufen und chemischen Bindungen.
Die Fraunhofer-Forscher wenden diese Technik gezielt auf Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen sowie auf organisch-anorganische Hybridwerkstoffe an, die als funktionale Materialien etwa in der Wasseraufbereitung oder in der Photokatalyse zum Einsatz kommen sollen. Ihre Erkenntnisse über die Oberflächen- und Grenzflächenchemie sollen die gezielte Entwicklung maßgeschneiderter funktionaler Materialien für künftige industrielle Anwendungen unterstützen – von der Optimierung der Schadstoffadsorption bis hin zur Verbesserung der Effizienz photokatalytischer Prozesse.
Hintergrund: Die XPS, auch als ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) bekannt, wurde maßgeblich von Kai Siegbahn entwickelt, der dafür 1981 den Nobelpreis für Physik erhielt. Typische Anregungsquellen sind $Al\text{-}K_\alpha$-Strahlung (1486,6 eV) und $Mg\text{-}K_\alpha$-Strahlung (1253,6 eV).
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