Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMIL
Das neue Instrument wurde im EMIL-Labor aufgebaut. © R. Garcia-Diez /HZB
Das Schema zeigt den Aufbau der Endstation, einschließlich der Probenumgebung, der Analysekammer und des Strahlengangs. © HZB
An BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
Solarzellen, Katalysatoren und Batterien werden als Energiematerialien bezeichnet, weil sie Energie umwandeln oder speichern. Ihre Funktionalität basiert auf komplexen chemischen oder physikalischen Prozessen. Um diese Funktionalitäten zu verbessern, ist es entscheidend, die Prozesse zu verstehen, idealerweise während sie ablaufen, also durch In-situ- und operando-Untersuchungen. Eine neue Versuchsstation ermöglicht nun entsprechende Experimente. Sie steht im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL) an der Synchrotronanlage BESSY II.
Die „operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL“ (OÆSE) liefert detaillierte Einblicke in die elektronischen und chemischen Strukturen von Materialien und Grenzflächen sowie deren Veränderungen während (elektro-)chemischer Prozesse mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und Emissionsspektroskopie (XES).
Das Herzstück der OÆSE-Endstation ist eine modulare und flexible In-situ/Operando-Probenumgebung, die speziell auf die spezifischen Forschungsfragen für jedes Energiematerial zugeschnitten ist und sich an unterschiedliche Experimente anpassen lässt.
Um die Fähigkeiten der OÆSE-Endstation zu demonstrieren, untersuchte das Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär in situ die elektrochemische Abscheidung von Kupfer aus einem wässrigen CuSO4-Elektrolyten mit weicher und harter Röntgenabsorptionsspektroskopie. Die Fallstudie zeigt, dass die neue Endstation wertvolle Einblicke in dynamische elektrochemische Prozesse bietet und somit ein besseres Verständnis komplexer elektrochemischer Systeme ermöglicht.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.
- Umweltchemie an BESSY II: Radikale in GewässernWie entstehen in wässrigen Lösungen unter UV-Licht so genannte Radikale? Diese Frage spielt sowohl für die Gesundheitsforschung als auch für den Umweltschutz eine wichtige Rolle, beispielsweise im Zusammenhang mit der Überdüngung von Gewässern durch die Landwirtschaft. Ein Team hat nun an BESSY II eine neue Methode etabliert, um Hydroxyl-Radikale in Lösung zu untersuchen. Mit einem Trick konnten sie überraschende Einblicke in den Reaktionspfad gewinnen.