Magnetit: Oberflächlicher Eisenmangel

An der TU Wien gelang es zu erklären, warum Magnetit sich so gut für Katalysatoren eignet, aber eher schlecht für Elektronik.

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Das Eisenoxid Fe3O4 ist als Magnetit (Magneteisenstein) ein wichtiges Erz und als Rost allgegenwärtig, wo immer eine Eisenoberfläche der Luft ausgesetzt ist. Und es dient als Katalysator, wobei sich die Katalyse wie meistens an der Oberfläche abspielt. Umso überraschender ist es, dass Physiker um Ulrike Diebold an der TU Wien nun mit einer Kombination aus theoretischen Methoden (quantenchemischen Berechnungen der Elektronenstruktur) und Experimenten (Rastertunnelmikroskopie und Elektronenbeugung) Neues und Unerwartetes über die Struktur einer Magnetit-Oberfläche herausgefunden haben (Science, 346, S. 1215).
„Eigentlich ist die Oberfläche von Magnetit gar nicht Fe3O4, sondern Fe11O16“, erklärt Diebold. Das heißt: Es sind weniger Eisenatome in den obersten Schichten, als der Summenformel entspricht. Das Verhältnis O zu Fe geht sozusagen in Richtung des anderen Eisenoxids, Fe2O3. Solche fehlenden Metallatome sind ungewöhnlich: Bei Metalloxiden fehlen oft in der Oberfläche Sauerstoffatome, diese Leerstellen prägen die Eigenschaften der Oxide. „Alle in unserer Community denken über fehlende Sauerstoffatome nach“, sagt Gareth Parkinson, einer der an der Arbeit beteiligten TU-Physiker, „darum hat es eine ganze Weile gedauert, bis uns klar wurde, dass hier in Wirklichkeit fehlende Eisenatome ausschlaggebend sind.“

Inwiefern ausschlaggebend? Nun, auf einer Magnetit-Oberfläche bleiben einzelne Atome edler Metalle (z. B. Gold oder Palladium) stabil an ihrem Platz und ballen sich nicht zu kleinen Partikeln zusammen. Das ist für Katalysen ziemlich wertvoll. Dass das funktioniert, hat mit der Struktur der Oberfläche zu tun: Die fremden Atome setzen sich just dorthin, wo ein Eisenatom fehlt.

Die Leerstellen haben aber auch einen Nachteil: Sie stören die Spinpolarisation an der Oberfläche, es entsteht, was die TU-Physiker in Science eine „magnetisch tote Schicht“ nennen. Das erklärt die Probleme, die man mit elektronischen Bausteinen auf Fe3O4-Basis hat. (tk)

("Die Presse", Print-Ausgabe, 05.12.2014)

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