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.
- Batterieforschung: Alterungsprozesse operando sichtbar gemachtLithium-Knopfzellen mit Elektroden aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) sind sehr leistungsfähig. Doch mit der Zeit lässt die Kapazität leider nach. Nun konnte ein Team erstmals mit einem zerstörungsfreien Verfahren beobachten, wie sich die Elementzusammensetzung der einzelnen Schichten in einer Knopfzelle während der Ladezyklen verändert. An der Studie, die nun im Fachjournal Small erschienen ist, waren Teams der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Universität Münster sowie Forschende der Forschungsgruppe SyncLab des HZB und des Applikationslabors BLiX der Technischen Universität Berlin beteiligt. Ein Teil der Messungen fand mit einem Instrument im BLiX-Labor statt, ein weiterer Teil an der Synchrotronquelle BESSY II.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.
- Elegantes Verfahren zum Auslesen von Einzelspins über PhotospannungDiamanten mit spezifischen Defekten können als hochempfindliche Sensoren oder Qubits für Quantencomputer genutzt werden. Die Quanteninformation wird dabei im Elektronenspin-Zustand der Defekte gespeichert. Allerdings müssen die Spin-Zustände bislang optisch ausgelesen werden, was extrem aufwändig ist. Nun hat ein Team am HZB eine elegantere Methode entwickelt, um die Quanteninformation über eine Photospannung auszulesen. Dies könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen.