Ultraschnelle lichtinduzierte Oberflächenchemie auf Isolator-Substraten

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Das klassische Beispiel der Femtochemie für eine bimolekulare Reaktion ist die Umsetzung H + CO2 → OH + CO, induziert durch die photolytische Spaltung von HI. Ahmed H. Zewail und Mitarbeitern gelang es mit dieser Reaktion erstmalig, eine bimolekulare Dynamik in Echtzeit aufzulösen und auf diese Weise entscheidend zum Verständnis dieses fundamentalen Reaktionstyps beizutragen. Theoretische Untersuchungen zeigen, dass genau diese lichtinduzierte Reaktion auch auf isolierenden Festkörperoberflächen abläuft, wobei die Adsorbatgeometrie entscheidend die Stoßparameter der Reaktanden-Annäherung bestimmt. Sie stellt damit ebenso ein hervorragendes Beispiel für eine der von John C. Polanyi propagierten, durch Oberflächen ausgerichteten (‚surface aligned‘) chemischen Reaktionen dar. Die experimentelle Untersuchung der Dynamik dieser Reaktion auf einer Oberfläche gelang jedoch bisher noch nicht. Allgemein stehen der Oberflächenchemie bislang keine Methoden zur Verfügung, mit denen, ganz analog zur Gasphase, Übergangszustände, Zwischen- und Endprodukte einer chemischen Reaktion direkt massenselektiv nachgewiesen werden können. In dieser Hinsicht gelang unserer Arbeitsgruppe im vergangenen Jahr die Realisierung einer neuen Technik, der zeitaufgelösten Oberflächen-Pump&Probe-Laser-Massenspektrometrie, die ideal geeignet ist, um die genannte und ähnliche Reaktionen direkt zeit-, energie- und massenaufgelöst zu untersuchen. In diesem Antrag wird daher vorgeschlagen, die neue Massenspektrometrie-Technik auf lichtinduzierte bimolekulare Reaktionen von Adsorbaten und Koadsorbaten auf Metalloxid-Oberflächen anzuwenden. Interessanterweise hat gerade die lichtinduzierte reduktive Umsetzung von Kohlendioxid in der jüngsten Vergangenheit ein außerordentliches Interesse erfahren - steht sie doch im direkten Zusammenhang mit den hochaktuellen Problemen der zunehmenden Ressourcenknappheit und der globalen Erwärmung. Ein grundlegendes Verständnis der Reaktionsdynamik dieser Oberflächenreaktionen stellt eine entscheidende Basis zur Planung zukünftiger photokatalytischer Synthesestrategien dar.