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Elektronen-induzierte chemische Reaktionen in kondensierter Phase

Um die Mechanismen elektronen-induzierter Reaktionen verstehen zu lernen, untersuchen wir einfache organische Moleküle als Modellsysteme. Dabei verwenden wir Elektronenenergien unterhalb von 20 eV. Diese Energien sind typisch für Sekundärelektronen, die in großer Zahl bei Verwendung höherenergetischer Strahlung produziert werden und daher die wichtigsten Initiatoren der Reaktionen auch in technischen Prozessen darstellen. Andererseits ist bekannt, dass bei Elektronenenergien unterhalb der Ionisationsgrenze die kurzzeitige Anlagerung von Elektronen an Moleküle sehr effizient ist und in engen Energiebereichen zu deren Fragmentierung führt. Dies sollte neue Wege zu einer kontrollierten Modifizierung von Materialien öffnen.

Hochaufgelöste Elektronen-Energieverlust- (HREEL-) Spektren im Bereich der elektronischen Anregungen zeigen, dass Acetaldehyd (CH3CHO), wie auch andere sauerstoffhaltige Verbindungen, unter Elektronenbestrahlung CO abspaltet (Experimente).

Allerdings bleibt damit offen, welche Produkte aus den abgespaltenen Kohlenwasserstoff-Fragmenten entstehen. Die thermische Desorptions-Spektrometrie (TDS, Experimente) zeigt, dass sich neben CO, das als erstes bei Aufwärmen der Probe desorbiert, auch CH4 (Masse 16) sowie CH3CH2CHO (Masse 58) bilden.

Bild CH3CO-Au

Bild Acetaldehyd

Weitere Informationen:
Fate of reactive intermediates formed in acetaldehyde under exposure to low-energy electrons;
P.Swiderek, C.Jäggle, D.Bankmann, E.Burean, J.Phys.Chem.B 111, 303 (2007).


Experimente mit Mischungen zweier unterschiedlicher Substanzen zeigen, unter welchen Bedingungen es zu Reaktionen zwischen diesen kommt. Die Ergebnisse geben Hinweise darauf, ob elektronen-induzierte Reaktionen eingesetzt werden können, um funktionelle Gruppen an einfachere Ausgangsmaterialien anzuknüpfen. In einer Mischung aus deuteriertem Acetonitril (CD3CN) und Ethan (C2H6) wird aufgrund von Elektronenanlagerung verstärkt bei 7 eV eine Reaktion ausgelöst, die C2D6 (Masse 36) liefert. Weitere Produkte (CD4, CD3H, C2H5D und C2D5CN) belegen das Auftreten intermolekularer Reaktionen. Oberhalb der Ionisationsschwelle wird mit C2H5CD3 auch ein Additionsprodukt aus Fragmenten beider Reaktionspartner gebildet.

Bild C2H6+CD3CN

Bild Reaktionen bei 7eV

Weitere Informationen:
Electron-induced reactions in condensed films of acetonitrile and ethane;
I.Ipolyi, W.Michaelis, P.Swiderek, PCCP 8, 182 (2007).

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