BESSY II: Lokalisierung von d-Elektronen vermessen
An BESSY II lässt sich mit Auger-Photo-Electronen-Coinzidenz Spektroskopie (APECS) die Lokalisierung von d-Elektronen in Kobalt im Vergleich zu Nickel und Kupfer präzise ermitteln. © adobestock
Übergangsmetalle besitzen vielfältige Anwendungen als Werkstoffe und in der Elektrochemie und Katalyse. Um ihre Eigenschaften zu verstehen, ist das Wechselspiel zwischen atomarer Lokalisierung und Delokalisierung der äußeren Elektronen in den d-Orbitalen entscheidend. Diesen Einblick ermöglicht nun eine besondere Messmethode an BESSY II mit höchster Präzision. Eine Studie an Kupfer, Nickel und Kobalt kommt dabei zu quantitativen Erkenntnissen. Die Royal Society of Chemistry hat den Beitrag als HOT Article 2022 ausgewählt.
Übergangsmetalle und Buntmetalle wie Kupfer, Nickel oder Kobalt eignen sich nicht nur als Werkstoffe, sondern auch für vielfältigste Anwendungen in der Elektro-Chemie und -Katalyse. Ihre besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften hängen mit der Besetzung der äußeren d-Orbitalschalen rund um die Atomkerne zusammen. Die energetischen Niveaus der Elektronen sowie ihre Lokalisierung oder auch Delokalisierung lassen sich hervorragend an der Röntgenquelle BESSY II untersuchen.
Kupfer, Nickel, Kobalt
Das Team des Uppsala-Berlin Joint Lab (UBjL) um Prof. Alexander Föhlisch und Prof. Nils Mårtensson hat nun neue Messungen an Kupfer- Nickel- und Kobaltproben veröffentlicht. Dabei bestätigten sie bekannte Befunde zu Kupfer, dessen d-Elektronen atomar lokalisiert sind, sowie für Nickel, in welchem lokalisierte mit delokalisierten Elektronen koexistieren. Beim Element Kobalt, welches für Batterien und als Legierung in Brennstoffzellen eingesetzt wird, waren bisherige Befunde jedoch widersprüchlich, da die Messgenauigkeit nicht ausreichte, um klare Aussagen zu treffen.
Hochempfindliche Spektrometer
An der Röntgenquelle BESSY II, die leistungsstarke Synchrotronstrahlung bietet, hat das Uppsala-Berlin joint Lab ein Instrument mit der erforderlichen Präzision aufgebaut. Mit der Auger-Photo-Elektronen-Coinzidenz-Spectroskopie (APECS) lassen sich hier die elektronische Lokalisierung bzw. Delokalisierung messen. Das deutsch-schwedische Team entwickelte dafür die „Angle resolved Time of Flight“ (ArTOF) Elektronenspektrometer, deren Nachweiseffizienz die von standardisierten hemisphärischen Analysatoren um Größenordnungen übertrifft. Ausgerüstet mit zwei ArTOF Elektronenspektrometern ist die von UBjL Wissenschaftler Dr. Danilo Kühn betreute Experimentstation CoESCA@UE52-PGM weltweit einzigartig.
Methode steht auch Messgästen zur Verfügung
Beim Element Kobalt zeigten nun die Messungen, dass die d-Elektronen des Kobalts als hochgradig delokalisiert anzusehen sind. „Dies ist ein wichtiger Schritt für eine quantitative Bestimmung elektronischer Lokalisation an einer Vielzahl von Werkstoffen, Katalysatoren und (elektro)chemischen Prozessen“, sagt Föhlisch.
Die Royal Society of Chemistry hat den Beitrag daher als HOT Article 2022 ausgewählt, auch mit der Intention, dass diese Messmethode breites Interesse in der Forschung weckt. Die Endstation steht auch internationalen Messgästen an BESSY II zur Verfügung, die sich zweimal jährlich um Messzeit bewerben können.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- 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.