Template-assisted synthesis of functional oxides for photocatalytic and sensing applications

Ein Ziel dieser Arbeit war es, ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung immobilisierter inverser Opalstrukturen auf einer großflächigen Basis zu entwickeln. Dazu wurde ein einstufiger Vorläufer, der direkt Titandioxid-Sol-Gel und selbst-synthetisierte PMMA-Kugeln enthielt, hergestellt und mittels eines Airbrush-Systems aufgesprüht. Zusätzlich wurden Untersuchungen an anderen strukturierten Materialien wie Aerogelen durchgeführt. Für ein tieferes Verständnis der Systeme wurden verschiedene Systeme mit mehreren Charakterisierungsmethoden wie XRD (Bragg- und Gesamtstreuung), UV/Vis und SEM untersucht.
Zur Messung der photokatalytischen Aktivität an immobilisierten Filmen wurde eine Flusszelle entwickelt, die eine In-situ-Messung der tatsächlichen Konzentration per Lichtdetektion des Modellverbindungsfarbstoffs Methylorange ermöglichte. Die Ergebnisse legten da, dass das System reproduzierbare Messungen ermöglicht und zwischen unterschiedlichen Abbaugeschwindigkeiten unterscheiden kann.
Es konnte gezeigt werden, dass das entwickelte Setup Airbrush-Verfahren für die Herstellung von inversen Opalen Strukturen mit unterschiedlichen Porengrößen geeignet ist. Zur Variation dieser, wurde eine vereinfachte Synthese von PMMA-Sphären mit Durchmessern von 170 nm bis 800 nm entwickelt. Dieses benötigt im Gegensatz zu vielen Standardverfahren keine inerte Atmosphäre und die Größensteuerung erfolgt ausschließlich per Temperaturkontrolle und Salzzugabe.
Darüber hinaus wurde das Titandioxid-Sol-Gel analysiert. Es zeigte sich, dass der Phasenübergang eines quantenkristallinen brookitähnlichen Materials zu Anatas bei niedrigeren Temperaturen erfolgt als üblicherweise berichtet.
Darüber hinaus zeigte die zweite strukturierte Materialklasse, SiO₂-Aerogele, ein hohes Potenzial als Substratmaterial für Edelmetallnanopartikel. Abschließend konnte dargelegt werden, dass das in einen Sensorchip eingebaute Nanopartikel-Aerogel in der Lage ist, kleinste Volumina an Wasserstoff nachzuweisen.