Atomare Verschiebungen in Hochentropie-Legierungen untersucht
Die Gitterplätze der Superzelle werden nach dem Zufallsprinzip mit den fünf Elementen gefüllt; in der Ausgangskonfiguration liegen alle Schichten (xy-Ebene) genau übereinander. In der endgültigen Konfiguration sind die Elemente mehr oder weniger verschoben, so dass auch die unteren Ebenen sichtbar werden. Diese Verschiebungen wurden durch die Analysen der experimentellen Spektren mit Reverse-Monte-Carlo-Simulationen ermittelt. © A.Kuzmin / University of Latvia and A. Smekhova / HZB
Hochentropie-Legierungen aus 3d-Metallen haben faszinierende Eigenschaften, die Anwendungen im Energiesektor in Aussicht stellen. Ein internationales Team hat nun lokale Verschiebungen auf atomarer Ebene in einer hochentropischen Cantor-Legierung aus Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel untersucht. Mit spektroskopischen Analysen an BESSY II und statistischen Simulationen konnten sie das Verständnis dieser Materialgruppe deutlich erweitern.
Hochentropie-Legierungen sind für ganz unterschiedliche Anwendungen als Energiematerialien im Gespräch: Einige Materialien aus dieser Gruppe können Wasserstoff speichern, andere eignen sich für die edelmetallfreie Elektrokatalyse, als Superkondensatoren oder zur Abschirmung von Strahlung.
Die mikroskopische Struktur von hochentropischen Legierungen ist sehr vielfältig und veränderbar: Dabei beeinflussen die lokale Anordnung der Elemente und verschiedene Sekundärphasen die makroskopischen Eigenschaften wie Härte, Korrosionsbeständigkeit und auch Magnetismus. Die sogenannte Cantor-Legierung aus Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt und Nickel in einem äquimolaren Verhältnis gilt als geeignetes Modellsystem für die gesamte Klasse dieser Werkstoffe.
Wo sitzen welche Elemente?
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM, Berlin), der Universität von Lettland in Riga, der Ruhr-Universität Bochum und des HZB haben nun die lokale Struktur dieses Modellsystems genauer untersucht. Mit Röntgenabsorptionsspektroskopie (EXAFS) an BESSY II kombiniert mit statistischen Berechnungen und der Reverse-Monte-Carlo-Methode konnten sie jedes einzelne Element und dessen Verschiebungen von den idealen Gitterpositionen für dieses System nahezu unverfälscht verfolgen.
Besonderheiten von Chrom
Auf diese Weise deckten sie Besonderheiten in der lokalen Umgebung jedes Elements auf: Obwohl alle fünf Elemente der Legierung an den Knotenpunkten des flächenzentrierten kubischen Gitters verteilt sind und sehr enge statistisch gemittelte interatomare Abstände (2,54 - 2,55 Å) zu ihren nächsten Nachbarn haben, zeigten sich größere strukturelle Relaxationen nur bei den Chromatomen. Außerdem fanden sich keine Hinweise auf sekundäre Phasen auf atomarer Ebene. Die makroskopischen magnetischen Eigenschaften, die mit konventioneller Magnetometrie am HZB CoreLab für Quantenmaterialien untersucht wurden, konnten mit den Informationen über das Element Chrom korreliert werden.
"Unsere Ergebnisse beschreiben die Anordnung einzelner Atome sehr präzise und zeigen, wie die komplexe magnetische Ordnung entstehen kann", erklärt HZB-Physikerin Dr. Alevtina Smekhova, die die Experimente am HZB betreut hat.
- Iridiumfreie Katalysatoren für die saure Wasserelektrolyse untersuchtWasserstoff wird künftig eine wichtige Rolle spielen, als Brennstoff und als Rohstoff für die Industrie. Um jedoch relevante Mengen an Wasserstoff zu produzieren, muss Wasserelektrolyse im Multi-Gigawatt-Maßstab machbar werden. Ein Engpass sind die benötigten Katalysatoren, insbesondere Iridium ist ein extrem seltenes Element. Eine internationale Kooperation hat daher Iridiumfreie Katalysatoren für die saure Wasserelektrolyse untersucht, die auf dem Element Kobalt basieren. Durch Untersuchungen, unter anderem am LiXEdrom an der Berliner Röntgenquelle BESSY II, konnten sie Prozesse bei der Wasserelektrolyse in einem Kobalt-Eisen-Blei-Oxid-Material als Anode aufklären. Die Studie ist in Nature Energy publiziert.
- MXene als „Rahmen“ für zweidimensionale Wasserfilme zeigt neue EigenschaftenEin internationales Team unter Leitung von Dr. Tristan Petit und Prof. Yury Gogotsi hat MXene mit eingeschlossenem Wasser und Ionen an der BESSY II untersucht. Dabei ging das Wasser mit steigender Temperatur vom Zustand als lokalisierte Eiskluster in einen quasi-zweidimensionalen Wasserfilm über. Das Team entdeckte dabei, dass diese strukturellen Veränderungen des eingeschlossenen Wassers im MXene einen reversiblen Phasenübergang bewirken: vom Metall zum Halbleiter. Dies könnte die Entwicklung neuartiger Bauelemente oder Sensoren auf Basis von MXenen ermöglichen.
- Lithium-Schwefel-Batterien mit wenig Elektrolyt: Problemzonen identifiziertMit einer zerstörungsfreien Methode hat ein Team am HZB erstmals Lithium-Schwefel-Batterien im praktischen Pouchzellenformat untersucht, die mit besonders wenig Elektrolyt-Flüssigkeit auskommen. Mit operando Neutronentomographie konnten sie in Echtzeit visualisieren, wie sich der flüssige Elektrolyt während des Ladens und Entladens über mehrere Schichten verteilt und die Elektroden benetzt. Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Einblicke in die Mechanismen, die zum Versagen der Batterie führen können, und sind hilfreich für die Entwicklung kompakter Li-S-Batterien mit hoher Energiedichte.