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.
- Langzeit-Stabilität von Perowskit-Solarzellen deutlich gesteigertPerowskit-Solarzellen sind kostengünstig in der Herstellung und liefern viel Leistung pro Fläche. Allerdings sind sie bisher noch nicht stabil genug für den Langzeit-Einsatz. Nun hat ein internationales Team unter der Leitung von Prof. Dr. Antonio Abate durch eine neuartige Beschichtung der Grenzfläche zwischen Perowskitschicht und dem Top-Kontakt die Stabilität drastisch erhöht. Dabei stieg der Wirkungsgrad auf knapp 27 Prozent, was dem aktuellen state-of-the-art entspricht. Dieser hohe Wirkungsgrad nahm auch nach 1.200 Stunden im Dauerbetrieb nicht ab. An der Studie waren Forschungsteams aus China, Italien, der Schweiz und Deutschland beteiligt. Sie wurde in Nature Photonics veröffentlicht.
- Energie von Ladungsträgerpaaren in Kuprat-VerbindungenNoch immer ist die Hochtemperatursupraleitung nicht vollständig verstanden. Nun hat ein internationales Forschungsteam an BESSY II die Energie von Ladungsträgerpaaren in undotiertem La₂CuO₄ vermessen. Die Messungen zeigten, dass die Wechselwirkungsenergien in den potenziell supraleitenden Kupferoxid-Schichten deutlich geringer sind als in den isolierenden Lanthanoxid-Schichten. Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung bei und könnten auch für die Erforschung anderer funktionaler Materialien relevant sein.
- Elektrokatalyse mit doppeltem Nutzen – ein ÜberblickHybride Elektrokatalysatoren können beispielsweise gleichzeitig grünen Wasserstoff und wertvolle organische Verbindungen produzieren. Dies verspricht wirtschaftlich rentable Anwendungen. Die komplexen katalytischen Reaktionen, die bei der Herstellung organischer Verbindungen ablaufen, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Moderne Röntgenmethoden an Synchrotronquellen wie BESSY II ermöglichen es, Katalysatormaterialien und die an ihren Oberflächen ablaufenden Reaktionen in Echtzeit, in situ und unter realen Betriebsbedingungen zu analysieren. Dies liefert Erkenntnisse, die für eine gezielte Optimierung genutzt werden können. Ein Team hat nun in Nature Reviews Chemistry einen Überblick über den aktuellen Wissensstand veröffentlicht.