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.

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.

arö

Das könnte Sie auch interessieren

  • Neue Monochromatoroptiken für den „tender“ Röntgenbereich
    Science Highlight
    30.11.2022
    Neue Monochromatoroptiken für den „tender“ Röntgenbereich
    Bislang war es äußerst langwierig, Messungen mit hoher Empfindlichkeit und hoher Ortsauflösung mittels Röntgenlicht im „tender“ Energiebereich von 1,5 - 5,0 keV durchzuführen. Dabei eignet sich genau dieses Röntgenlicht ideal, um Energiematerialien für Batterien oder Katalysatoren, aber auch biologische Systeme zu untersuchen. Dieses Problem hat nun ein Team aus dem HZB gelöst: Die neu entwickelten Monochromatoroptiken erhöhen den Photonenfluss im „tender“ Energiebereich um den Faktor 100 und ermöglichen so hochpräzise Messungen nanostrukturierter Systeme. An katalytisch aktiven Nanopartikeln und Mikrochips wurde die Methode erstmals erfolgreich getestet.
  • Nanodiamanten als Photokatalysatoren mit Sonnenlicht aktivierbar
    Science Highlight
    30.11.2022
    Nanodiamanten als Photokatalysatoren mit Sonnenlicht aktivierbar
    Nanodiamant-Materialien besitzen Potenzial als preisgünstige Photokatalysatoren. Doch bisher benötigten solche Kohlenstoff-Nanopartikel energiereiches UV-Licht, um aktiv zu werden. Das DIACAT-Konsortium hat daher Variationen von Nanodiamant-Materialien hergestellt und analysiert. Die Arbeit zeigt: Wenn die Oberfläche der Nanopartikel mit ausreichend Wasserstoff-Atomen besetzt ist, reicht auch die schwächere Energie von Licht im sichtbaren Bereich für die Anregung aus. Photokatalysatoren auf Basis von Nanodiamanten könnten in Zukunft mit Sonnenlicht CO2 oder N2 in Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak umwandeln.
  • Tomographie zeigt hohes Potenzial von Kupfersulfid-Feststoffbatterien
    Science Highlight
    28.11.2022
    Tomographie zeigt hohes Potenzial von Kupfersulfid-Feststoffbatterien
    Feststoffbatterien ermöglichen noch höhere Energiedichten als Lithium-Ionenbatterien bei hoher Sicherheit. Einem Team um Prof. Philipp Adelhelm und Dr. Ingo Manke ist es gelungen, eine Feststoffbatterie während des Ladens und Entladens zu beobachten und hochaufgelöste 3D-Bilder zu erstellen. Dabei zeigte sich, dass sich Rissbildung durch höheren Druck effektiv verringern lässt.