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.
- Schriftrollen aus buddhistischem Schrein an BESSY II virtuell entrolltIn der mongolischen Sammlung des Ethnologischen Museums der Staatlichen Museen zu Berlin befindet sich ein einzigartiger Gungervaa-Schrein. Der Schrein enthält auch drei kleine Röllchen aus eng gewickelten langen Streifen, die in Seide gewickelt und verklebt sind. Ein Team am HZB konnte die Schrift auf den Streifen teilweise sichtbar machen, ohne die Röllchen durch Aufwickeln zu beschädigen. Mit 3D-Röntgentomographie erstellten sie eine Datenkopie des Röllchens und verwendeten im Anschluss ein mathematisches Verfahren, um den Streifen virtuell zu entrollen. Das Verfahren wird auch in der Batterieforschung angewandt.
- Langzeittest zeigt: Effizienz von Perowskit-Zellen schwankt mit der JahreszeitAuf dem Dach eines Forschungsgebäudes am Campus Adlershof läuft ein einzigartiger Langzeitversuch: Die unterschiedlichsten Solarzellen sind dort über Jahre Wind und Wetter ausgesetzt und werden dabei vermessen. Darunter sind auch Perowskit-Solarzellen. Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz zu geringen Herstellungskosten aus. Das Team um Dr. Carolin Ulbrich und Dr. Mark Khenkin hat Messdaten aus vier Jahren ausgewertet und in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials vorgestellt. Dies ist die bislang längste Messreihe zu Perowskit-Zellen im Außeneinsatz. Eine Erkenntnis: Standard-Perowskit-Solarzellen funktionieren während der Sommersaison auch über mehrere Jahre sehr gut, lassen jedoch in der dunkleren Jahreszeit etwas nach. Die Arbeit ist ein wichtiger Beitrag, um das Verhalten von Perowskit-Solarzellen unter realen Bedingungen zu verstehen.
- Natrium-Ionen-Batterien: Neuer Speichermodus für KathodenmaterialienBatterien funktionieren, indem Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden gespeichert und ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird Interkalation genannt. Bei der Ko-Interkalation werden dagegen sowohl Ionen als auch Lösungsmittelmoleküle in den Elektrodenmaterialien gespeichert, was bisher als ungünstig galt. Ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm hat nun jedoch gezeigt, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit den geeigneten Kathodenmaterialien funktionieren kann. Dieser Ansatz bietet neue Entwicklungsmöglichkeiten für Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladefähigkeiten. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.