Neues Labor für Elektrochemische Grenzflächen an BESSY II
Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) baut mit der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ein gemeinsames Labor für elektrochemische Untersuchungen an Fest-Flüssig-Grenzflächen auf. Das „Berlin Joint Lab for Electrochemical Interfaces“, kurz BElChem, nutzt Röntgenlicht von BESSY II, um Materialien für die regenerative Energiegewinnung zu analysieren.
Das HZB betreibt mit BESSY II eine Synchrotronlichtquelle, die brillante Röntgenpulse erzeugt. Damit lassen sich elektronische und chemische Prozesse in Dünnschichtmaterialien untersuchen. Nun bauen das HZB und die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) gemeinsam ein weiteres neues Labor an BESSY II auf, um Materialsysteme für elektrochemische und katalytische Anwendungen zu analysieren. Für das BElChem-Labor betreiben die Partner drei eigene Strahlrohre, zwei davon erzeugen weiches Röntgenlicht, eines stellt härtere Röntgenstrahlung zur Verfügung.
Analyse von komplexen Materialsystemen
„Mit BElChem schaffen wir ideale Bedingungen, um elektrochemische Prozesse in komplexen Materialsystemen unter realen Bedingungen aufzuklären. Zum Beispiel wollen wir analysieren, wie „Künstliche Blatt“-Systeme funktionieren, die mit Sonnenlicht Wassermoleküle spalten und solaren Wasserstoff erzeugen“, sagt Prof. Dr. Roel van de Krol, der das HZB-Institut für Solare Brennstoffe leitet.
Optimierung von Hochleistungskatalysatoren
Die Partner am Fritz-Haber-Institut (FHI) der MPG fokussieren sich auf katalytisch aktive Materialien. „Unser Team studiert die grundlegenden Prozesse, die bei der Spaltung von Wasser durch elektrischen Strom eine Rolle spielen und bei der Umsetzung des entstehenden Wasserstoffs mit Kohlendioxid beteiligt sind. Damit erarbeiten wir Prinzipien, nach denen Hochleistungskatalysatoren optimiert werden können“, sagt Prof. Dr. Robert Schlögl, der das FHI leitet.
Photoelektronenspektroskopie und spezielle Probenumgebungen
Das Labor wird mit modernsten Instrumenten für die Photoelektronenspektroskopie ausgestattet, spezielle Probenumgebungen ermöglichen Untersuchungen unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur, Schutzgasen). Sechs Postdoktorandenstellen sind für den Aufbau und den Betrieb des neuen gemeinsamen Labors eingeplant. Auch Forschungsgruppen aus anderen Wissenschaftseinrichtungen, Universitäten oder der Industrie können BElChem nutzen.
Partnerschaft mit der MPG erweitert
Mit BElChem erweitern HZB und MPG ihre erfolgreiche Partnerschaft. Die Partner betreiben an BESSY II bereits mehrere Beamlines und haben gemeinsam das Energy Materials In-situ Laboratory (EMIL@BESSY II) aufgebaut, das im Oktober 2016 in Betrieb genommen wurde. EMIL dient ebenfalls der Entwicklung von Energiematerialien, zum Beispiel neuartigen Solarzellen oder Materialsystemen zur Erzeugung von solaren Brennstoffen. Die dort aufgebauten Synthese- und Analytikmöglichkeiten werden nun mit dem Aufbau des Joint Lab BElChem gezielt ergänzt.
- Batterieforschung: Alterungsprozesse operando sichtbar gemachtLithium-Knopfzellen mit Elektroden aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) sind sehr leistungsfähig. Doch mit der Zeit lässt die Kapazität leider nach. Nun konnte ein Team erstmals mit einem zerstörungsfreien Verfahren beobachten, wie sich die Elementzusammensetzung der einzelnen Schichten in einer Knopfzelle während der Ladezyklen verändert. An der Studie, die nun im Fachjournal Small erschienen ist, waren Teams der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Universität Münster sowie Forschende der Forschungsgruppe SyncLab des HZB und des Applikationslabors BLiX der Technischen Universität Berlin beteiligt. Ein Teil der Messungen fand mit einem Instrument im BLiX-Labor statt, ein weiterer Teil an der Synchrotronquelle BESSY II.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.