Elektrokatalyse unter dem Rasterkraftmikroskop
Mit der neuen Methode wurde die Oberfläche eines bimetallischen Katalysatormaterials in einem wässrigen Medium abgerastert. Die Abbildung zeigt eine Überlagerung des Stromsignals auf eine dreidimensionale Darstellung des Höhenbildes. Dabei sind inselartige Bereiche zu erkennen. © M. Munz/HZB
Das Prinzip der korrelativen Rasterkraftmikroskopie: Eine feine Spitze am Ende eines Federbalkens tastet die Oberfläche ab. Dadurch lassen sich Kraftwechselwirkungen zwischen Spitze und Probenoberfläche messen, einschließlich der Reibungskräfte. Liegt zusätzlich eine Spannung an, kann auch der durch den Kontakt fliessende elektrische Strom gemessen werden.
Eine Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie macht es nun möglich, das Höhenprofil nanometerfeiner Strukturen sowie den elektrischen Strom und die Reibungskraft an fest-flüssig Grenzflächen zeitgleich abzubilden. Damit gelang es einem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie am Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft, elektrokatalytisch aktive Materialien zu analysieren und Einblicke zu gewinnen, die für die Katalysatoroptimierung hilfreich sind. Die Methode eignet sich darüber hinaus auch, um Prozesse an Batterieelektroden, bei der Photokatalyse oder an aktiven Biomaterialien zu untersuchen.
Um die Energiewende zu meistern, kommt es auch darauf an, günstige und effiziente Materialien zu entwickeln, die für die Aufspaltung von Wasser oder CO2 durch Elektrokatalyse eingesetzt werden können. Dabei wird ein Teil der elektrischen Energie in den chemischen Reaktionsprodukten gespeichert. Wie effizient solche Elektrokatalysatoren ihre Aufgabe erfüllen, hängt stark davon ab, wie Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt beschaffen sind: Es handelt sich dabei um Grenzflächen zwischen den festen Elektroden und dem typischerweise wässrigen Elektrolyten. Doch eine ortsaufgelöste physikalische Untersuchung solcher fest-flüssig-Grenzflächen war bisher kaum verfügbar.
Rasterkraftmikroskopie kann jetzt mehr
Dr. Christopher S. Kley hat nun mit seinem Team einen neuen Ansatz für die korrelative Rasterkraftmikroskopie entwickelt. Hierbei wird eine extrem scharfe Spitze berührend über die Oberfäche gerastert und deren Höhenprofil aufgezeichnet. Mit der am Ende eines miniaturisierten Federbalkens angebrachten Spitze lassen sich die Kraftwechselwirkungen zwischen Spitze und Probenoberfläche mit hoher Empfindlichkeit messen, einschließlich der Reibungskräfte. Außerdem kann der durch den mechanischen Kontakt fließende elektrische Strom gemessen werden, sofern eine Spannung anliegt. „Damit konnten wir in situ (also unter relevanten Flüssigphasen-Bedingungen, statt im Vakuum oder an der Luft) die elektrische Leitfähigkeit, die mechanisch-chemische Reibung und die morphologischen Eigenschaften bestimmen, und zwar zeitgleich“, betont Kley.
Kupfer-Gold-Elektrokatalysator
Mit dieser Methode untersuchte die Gruppe in Zusammenarbeit mit Prof. Beatriz Roldán Cuenya vom Fritz-Haber-Institut (FHI) nun einen nanostrukturierten und bimetallischen Kupfer-Gold-Elektrokatalysator. Solche Materialien werden beispielsweise für die elektrokatalytische Umwandlung von CO2 in Energieträger eingesetzt. „Wir konnten sehr deutlich Inseln aus Kupferoxid identifizieren, die einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen, aber auch Korngrenzen und niedrigleitende Bereiche in der Hydratationsschicht, wo die Katalysatoroberfläche mit dem wässrigen Elektrolyten in Berührung kommt“, sagt Dr. Martin Munz, Erstautor der Studie.
Solche Ergebnisse zu Katalysator-Elektrolyt-Grenzflächen helfen, diese gezielt zu optimieren. „Wir können nun beobachten, wie lokale elektrochemische Umgebungen den Ladungstransfer an der Grenzfläche beeinflussen“, sagt Kley.
Fest-flüssig Grenzflächen im Fokus
„Unsere Ergebnisse sind aber auch generell für die Energieforschung von Interesse, insbesondere die Forschung an elektrochemischen Umwandlungsprozessen, die unter anderem in Batteriesystemen eine Rolle spielen“. Einsichten in fest-flüssig-Grenzflächen können aber auch in ganz anderen Forschungsgebieten hilfreich sein, zum Beispiel für das Verständnis von Korrosionsprozessen, Nanosensorik-Systemen, bis hin zu Fragestellungen in der Fluidik und den Umweltwissenschaften, beispielsweise Auflösungs- oder Ablagerungsprozesse an Metalloberflächen.
Hinweis: Die Weiterentwicklung dieser Messmethode erfolgte im Rahmen des CatLab – Projekts, in dem Teams aus HZB und FHI gemeinsam an der Entwicklung von Dünnschicht-Katalysatoren für die Energiewende arbeiten.
- Nanosilber als Elektrokatalysator für die CO₂-VerwertungDurch Elektrolyse lässt sich CO2 zu CO reduzieren, einem Ausgangsstoff für weitere chemische Produkte wie beispielsweise Kraftstoffe. Im Rahmen des GreenQUEST-Projekts hat ein internationales Team um den HZB-Chemiker Prashanth Menezes Katalysatorschichten aus Silbernanopartikeln systematisch untersucht und dabei sowohl die Partikelgröße als auch deren Dichte variiert. Die beste Ausbeute wurde mit Nanopartikeln mit Durchmessern von etwa 10 nm erzielt, die locker verteilt waren. Darüber hinaus zeigten sie, wie sich die Wirtschaftlichkeit der elektrochemischen Zelle durch eine zusätzliche chemische Reaktion an der Anode verbessern lässt, indem gleichzeitig wertvolle Ameisensäure, Wasserstoff und CO erzeugt wird.
- BESSY II: Erster Film von Spinwellen im Nano-OszillatorSpin-Hall-Nano-Oszillatoren sind winzige Bauelemente auf Basis von ultradünnen CoFeB-Schichten. Sie wandeln Gleichstrom in Mikrowellensignale um und gelten als Option für eine besonders effiziente drahtlose Kommunikation oder für eine neue Technologie der Datenverarbeitung, die vom Gehirn inspiriert ist. Ein schwedisch-deutsches Team konnte nun an BESSY II zum ersten Mal die Magnetisierungsdynamik im Inneren eines solchen Spin-Hall-Nano-Oszillators abbilden, sozusagen filmen. Dazu nutzten sie die zeitaufgelöste Röntgen-Rastertransmissionsmikroskopie am MAXYMUS-Instrument. Die Abbildungen zeigen Merkmale von Spinwellen, die in den bisherigen indirekten Messverfahren nicht sichtbar waren. Die Studie ist in „Advanced Materials“ veröffentlicht.
- Gemeinsame Power statt doppelter Strukturen:Die Berliner Wissenschaft treibt ihre Forschungsexzellenz durch den Aufbau einer leistungsfähigen, institutionenübergreifend nutzbaren Daten- und KI-Infrastruktur weiter voran. Mit einer am 18. September 2026 unterzeichneten gemeinsamen Vereinbarung ebnen die Berlin University Alliance (BUA), das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und das Zuse-Institut Berlin (ZIB) den Weg für ein gemeinsames Data-Science- und KI-Zentrum in Berlin-Dahlem und Adlershof.