乘用车的废气净化，阳光发电或水分解：未来，这些和其他应用可能会从与二氧化铈相关的新发现中获益。在卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)，科学家们利用探针分子和复杂的超高真空红外测量系统研究了二氧化铈纳米粒子，并获得了对其表面结构和化学活性的部分惊人的新见解。在Angewandte Chemie(应用化学)期刊上发表的三篇文章中报道了这项工作。

氧化铈，稀土金属铈与氧的化合物是技术应用中最重要的氧化物。二氧化铈主要用于多相催化，例如乘用车的废气催化转化器，太阳能电池中的光催化，水分解或污染物的分解。催化转化器中使用的二氧化铈具有粉末形式。它由纳米级粒子(一纳米对应十亿分之一米)的高度复杂结构组成。表面上金属和氧原子的特殊排列决定了二氧化铈的物理和化学性质。然而，到目前为止，还不可能准确地分析在纳米颗粒表面发生的重排和重建过程。

在KIT，功能界面研究所(IFG)的科学家在ChristofWöll教授的指导下建立了一种研究过去几年氧化物表面化学性质的新方法：他们使用小分子，如一氧化碳(CO)，分子氧气(O2)或氧化亚氮(N2O)，作为探针分子。这些分子附着在氧化物纳米颗粒的表面上。然后，研究人员确定探针分子的振动频率。“这种方法在理解二氧化铈纳米粒子的表面特性方面取得了重大进展，”ChristofWöll说。

与KIT的催化研究和技术研究所(IKFT)，柏林洪堡大学，意大利乌迪内大学和巴塞罗那/西班牙加泰罗尼亚理工大学的科学家一起，IFG研究人员研究了表面的各个方面二氧化铈纳米粒子的结构和化学活性他们的研究结果现已发表在Angewandte Chemie(应用化学)期刊上的三篇文章中。

取得进展的主要原因是研究人员成功地通过使用精确定义的模型物质进行测量来验证粉末测量的振动频率。为此，他们采用了复杂的超高真空红外系统，这是世界上唯一的此类系统。此外，他们使用量子力学计算的结果来分配先前未知的氧化物颗粒的振动带。通过这种方式，他们获得了对二氧化铈纳米粒子表面化学的全新，部分意外的见解。

科学家证明，棒状二氧化铈纳米粒子的表面有许多缺陷，如锯齿形纳米粒，氧空位，角落和边缘。这些不规则性可能导致这种纳米颗粒的高催化活性。此外，研究人员发现，通过产生氧空位，即未占用的氧位，可以显着提高二氧化铈的光反应性。另一项研究得出了各种氧化铈表面氧空位的位置及其与氧活化的相关性的基本信息。“基于我们的研究结果，我们现在可以系统地进一步开发和优化纳米级氧化铈催化转化器和光催化剂，”Wöll教授说。