BESSY II: Lokalisierung von d-Elektronen vermessen

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.