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.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.
- Umweltchemie an BESSY II: Radikale in GewässernWie entstehen in wässrigen Lösungen unter UV-Licht so genannte Radikale? Diese Frage spielt sowohl für die Gesundheitsforschung als auch für den Umweltschutz eine wichtige Rolle, beispielsweise im Zusammenhang mit der Überdüngung von Gewässern durch die Landwirtschaft. Ein Team hat nun an BESSY II eine neue Methode etabliert, um Hydroxyl-Radikale in Lösung zu untersuchen. Mit einem Trick konnten sie überraschende Einblicke in den Reaktionspfad gewinnen.