Dynamische Messungen in Flüssigkeiten jetzt auch im Labor
Die gestrichelten Linien markieren das erste dünne Flüssigkeits-‚Blatt‘, in dem Moleküle gelöst sind. Im oberen Teil befinden sich zwei Düsen, im unteren Teil ein Auffangbehälter (Bild links). Das Bild in der Mitte zeigt die Transmission des Flachstrahls. Rechts ist das Spektrum der Probe auf dem CCD-Detektor zu sehen. © HZB
Ein Team aus Berliner Forscher*innen hat ein Laborspektrometer entwickelt, um chemische Prozesse in Lösung zu analysieren – und das mit 500 ps Zeitauflösung. Dies ist nicht nur für die Forschung an molekularen Prozessen in der Biologie interessant, sondern auch für die Entwicklung von neuartigen Katalysatormaterialien. Bisher war dafür allerdings meist Synchrotronstrahlung erforderlich, wie sie nur an großen, modernen Röntgenquellen wie BESSY II zur Verfügung steht. Nun funktioniert das Verfahren mit einer Plasmalichtquelle im Labormaßstab.
„Durch unseren Laboraufbau wird diese Messmethode nun für eine breitere Community zugänglich“, sagt HZB-Physikerin Dr. Ioanna Mantouvalou, die die Entwicklung zusammen mit Partnern aus der Technischen Universität Berlin, dem Max-Born-Institut, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt sowie der Firma Nano Optics Berlin vorangetrieben hatte. „Die Labormessungen können in einem ersten Schritt auch genauer umgrenzen, wo weitere Analysen an Synchrotronquellen sinnvoll und vielversprechend sind. Dadurch werden knappe Ressourcen besser genutzt“, sagt Mantouvalou.
Zeitaufgelöste Röntgenspektroskopie im „weichen“ Energiebereich bietet Zugang zu Eigenschaften von organischen Materialien und ist damit ideal, um dynamische Veränderungen in der Elektronenstruktur einzelner Elemente in ungeordneten Systemen zu untersuchen. Messungen von flüssigen Lösungen, in denen diese Moleküle oder Komplexe gelöst sind, sind jedoch besonders anspruchsvoll. Sie erfordern einen hohen Photonenfluss und extrem geringes Rauschen. Daher sind diese Experimente meist auf Großgeräte wie moderne Synchrotronlichtquellen beschränkt.
Das neue Labormessgerät nutzt dagegen Licht eines Plasmas, welches durch die Interaktion von einem intensiven Laserpuls mit Metall entsteht. Das neue Instrument ermöglicht Zeitauflösungen von 500 Pikosekunden. Die neu entwickelte Detektionsmethode ermöglicht eine sehr „stabile“ Detektion. „Dies konnten wir in unserer Studie an zwei Beispielen in wässriger Lösung demonstrieren. Wir haben dafür die Metall-Komplexverbindungen [Ni(CN)4]2- und [Fe(bpy)3]2+ untersucht“, sagt Richard Gnewkow, Erstautor und Doktorand im Team von Mantouvalou.
- Poröse organische Struktur verbessert Lithium-Schwefel-BatterienEin neu entwickeltes Material kann die Kapazität und Stabilität von Lithium-Schwefel-Batterien deutlich verbessern. Es basiert auf Polymeren, die ein Gerüst mit offenen Poren bilden. In der Fachsprache werden sie radikale kationische kovalente organische Gerüste oder COFs genannt. In den Poren finden katalytisch beschleunigte Reaktionen statt, die Polysulfide einfangen, die ansonsten die Lebensdauer der Batterie verkürzen würden. Einige der experimentellen Analysen wurden an der BAMline an BESSY II durchgeführt. Prof. Yan Lu, HZB, und Prof. Arne Thomas, Technische Universität Berlin, haben diese Arbeit gemeinsam vorangetrieben.
- Wie sich Nanokatalysatoren während der Katalyse verändernMit der Kombination aus Spektromikroskopie an BESSY II und mikroskopischen Analysen am NanoLab von DESY gelang es einem Team, neue Einblicke in das chemische Verhalten von Nanokatalysatoren während der Katalyse zu gewinnen. Die Nanopartikel bestanden aus einem Platin-Kern mit einer Rhodium-Schale. Diese Konfiguration ermöglicht es, strukturelle Änderungen beispielsweise in Rhodium-Platin-Katalysatoren für die Emissionskontrolle besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass Rhodium in der Schale unter typischen katalytischen Bedingungen teilweise ins Innere der Nanopartikel diffundieren kann. Dabei verbleibt jedoch der größte Teil an der Oberfläche und oxidiert. Dieser Prozess ist stark von der Oberflächenorientierung der Nanopartikelfacetten abhängig.
- Metalloxide: Wie Lichtpulse Elektronen in Bewegung setzenMetalloxide kommen in der Natur reichlich vor und spielen eine zentrale Rolle in Technologien wie der Photokatalyse und der Photovoltaik. In den meisten Metalloxiden ist jedoch aufgrund der starken Abstoßung zwischen Elektronen benachbarter Metallatome die elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Ein Team am HZB hat nun zusammen mit Partnerinstitutionen gezeigt, dass Lichtimpulse diese Abstoßungskräfte vorübergehend schwächen können. Dadurch sinkt die Energie, die für die Elektronenbeweglichkeit erforderlich ist, so dass ein metallähnliches Verhalten entsteht. Diese Entdeckung bietet eine neue Möglichkeit, Materialeigenschaften mit Licht zu manipulieren, und birgt ein hohes Potenzial für effizientere lichtbasierte Bauelemente.