Abstract

Metal oxides, in particular their surfaces and interfaces, are of paramount importance in many areas of chemistry, physics, and technology, including heterogeneous/environmental/photo-catalysis and power generation by fuel cells. The atomic and electronic structure at the surface is often considerably different from a simple truncation of the bulk. When the thickness of an oxide film reaches the sub-10 nm range, its physical, (electro-)chemical, electrical, or magnetic properties generally deviate from the bulk characteristics. Modified oxides (mixed, doped, multicomponent oxides; metal contacts) play an even more prominent role in technology, yet a fundamental, in-depth understanding of the parameters governing their properties is still lacking. When oxides are employed in technological processes, i.e., act as “functional oxides”, exposure to a gaseous or liquid environment further modifies their structure and thus their properties.
Future advances in oxide-based technologies rely on a fundamental understanding of the surface chemistry and physics of the involved materials, and on identifying structure-function relationships. This requires an array of methodologies and techniques that can only be provided by a concerted effort of groups with complimentary expertise. In its first funding period the SFB FOXSI has unified 10 research groups in surface/interface chemistry and physics and fuel cell technology, each with a research focus in oxide surfaces and interfaces.
The SFB centers around “Core Topics” including: i) structure of functional oxide surfaces and interfaces; ii) gas-oxide interactions; iii) functional oxides under working conditions. Work was focused on the “Core Materials” pure and Y-modified ZrO2, CeO2, perovskites, and oxide-metal interfaces. The materials were prepared by physical and chemical methods and were investigated with a variety of state-of-the-art microscopic and spectroscopic methods, including STM, AFM, TEM/SEM, PEEM/FIM, SXRD, XPS, AES, LEIS, PM-IRAS, FTIR, SFG, TPD, UV-Vis, PL, impedance measurements, DFT, etc. A number of these methods are particularly well suited to monitor oxide materials under operating conditions. During the first funding period the concerted efforts of the SFB FOXSI have lead to the development of ultrathin ZrO2 model oxide films (with different defect density, and also modified by metal nanoparticles), and model perovskites. The work was focused on obtaining fundamental insights into the atomic/electronic structure, chemical (catalytic) properties, and oxygen activation kinetics. In line with the original plan, studies of UHV-grown model surfaces were paralleled by studies on corresponding technological materials. The experimental investigations were performed in close collaboration with theory. The tight interactions between the groups, fostered by regular seminars and workshops (Annual SFB and PhD Workshop) have resulted in multiple student exchanges, collaborative beam times, and joint publications. Work in the second funding period will continue, intensify, and extend efforts to obtain in-depth physical insights relevant to functional oxide surfaces and interfaces. The fundamental studies will be guided by the overarching objective to develop strategies for improving/optimizing the SOFC-relevant (catalytic) processes.

Kurzfassung

Moderne Technologien beruhen oft auf den spezifischen Eigenschaften von Metalloxiden. Die Chemie und Physik von Oxidoberflächen und -grenzflächen steuern z.B. Prozesse in der Katalyse oder in der Energieerzeugung (Brennstoffzellen). Die atomare und elektronische Struktur von Oxidoberflächen kann jedoch stark von den bekannten Volumeneigenschaften abweichen, d.h. Oxidoberflächen sind oft nicht nur Schnitte durch das Volumsmaterial. Für Oxiddicken Die Weiterentwicklung oxidbasierter Technologien setzt ein grundlegendes Verständnis der Oberflächenchemie und -physik von Oxiden voraus und hängt vor allem von der Identifizierung von Struktur-Funktions-Beziehungen ab. Dies verlangt ein breites Spektrum wissenschaftlicher Herangehensweise und Methoden, welches nur durch konzertierte Anstrengungen spezialisierter und zugleich komplementärer Forschergruppen erreicht werden kann. In seiner ersten Förderperiode hat der SFB FOXSI 10 experimentelle und theoretische Gruppen vereint, die sich funktionellen Oxiden verschrieben haben, mit Schwerpunkten auf der Chemie/Physik von Oberflächen/Grenzflächen, und auf Brennstoffzellen-Technologie.
Thematische Schwerpunkte des SFB waren: i) Struktur von funktionellen Oxidoberflächen/-grenzflächen; ii) Gas-Oberflächen Wechselwirkungen; iii) funktionelle Oxide unter Arbeits-bedingungen. Die gewählten Schlüsselmaterialien waren ZrO2 (auch Y-stabilisiert), CeO2, Perowskite, Oxid-Oxid und Oxid-Metall Kontakte. Die Materialien wurden mittels physikalischer und chemischer Methoden hergestellt und durch eine Vielzahl mikroskopischer/spektroskopischer Methoden charakterisiert (STM, AFM, HRTEM/SEM, PEEM/FIM, SXRD, XPS, AES, LEIS, PM-IRAS, SFG, FTIR, TPD, UV-Vis, PL, Impedanz, DFT etc.). Einige dieser Methoden sind besonders geeignet, Oxide unter funktionellen Bedingungen zu untersuchen. Die gemeinsamen Anstrengungen im SFB FOXSI während der ersten Förderperiode erlaubten bereits ultradünne ZrO2 Filme als Modellsystem (mit verschiedener Defektdichte und auch mit Metall-Nanoteilchen bedeckt), sowie Modell-Perowskite, herzustellen und zu untersuchen. Vor allem wurden die atomare/elektronische Struktur, die chemischen Eigenschaften und die Kinetik der Sauerstoffaktivierung grundlegend behandelt. Wie ursprünglich geplant wurden parallel zu den UHV-Modellsystemen auch die entsprechenden technologischen Materialien intensiv untersucht. Experimente wurden eng von Modellrechnungen (Dichtefunktionaltheorie etc.) begleitet. Die intensive Zusammenarbeit der Gruppen, gefördert durch regelmäßige Seminare und Workshops (Annual SFB und PhD Workshop), lässt sich anhand des vielfachen Studentenaustauschs, gemeinsamer Strahlzeiten und Publikationen ablesen. In der zweiten Förderperiode soll der Weg zu einem tiefgehenden grundlegenden Verständnis weiterverfolgt, intensiviert und erweitert werden, um darauf basierend die SOFC-relevanten (katalytischen) Prozesse zu optimieren.