BESSY II: Neue Probenumgebung erlaubt Einblick in thermokatalytische Prozesse
Die schematische Darstellung der Messzelle: Sie erlaubt die Analyse mit Röntgenlicht (grün) von katalytischen Reaktionen unter hohem Druck und hoher Temperatur. © HZB
Eine neuartige Messzelle ermöglicht erstmals Untersuchungen mit weicher und harter Röntgenstrahlung unter hohen Drücken von bis zu 20 bar und Temperaturen von bis zu 400 °C. Dies liefert neue Erkenntnisse über thermokatalytische Prozesse, wie beispielsweise die Fischer-Tropsch-Synthese zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe. Die Entwicklung der Messzelle gilt als Meilenstein im Rahmen des Care-O-Sene-Projekts.
Die innovative Messzelle ermöglicht erstmals In-situ-/Operando-Röntgenabsorptionsspektroskopie-Messungen (XAS) unter hohen Drücken und Temperaturen. Die Zelle eignet sich sowohl für den weichen als auch für den mittelharten (tender) und harten Röntgenenergiebereich und wurde für die Endstation „Operando Absorption and Emission Spectroscopy“ (OÆSE) im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL) an der Synchrotronanlage BESSY II konzipiert. Der Aufbau ermöglicht die Untersuchung katalytischer Gas-Feststoff-Reaktionen unter hohem Druck unter realistischen Betriebsbedingungen von bis zu 20 bar und bis zu 400 °C. „Viele industriell wichtige katalytische Reaktionen finden unter solchen Bedingungen statt, zum Beispiel die Fischer-Tropsch-Synthese, die weltweit zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen genutzt wird“, sagt Dr. Athanasios Skaltsogiannis, Postdoktorand im Care-O-Sene-Projekt im Team von Prof. Marcus Bär.
Dr. Catalina Jimenez, die die Care-O-Sene-Aktivitäten am HZB wissenschaftlich koordiniert, betont: „Diese Entwicklung ist ein bedeutender Meilenstein, insbesondere für weiche Röntgenstrahlung, da diese in Feststoffen und unter hohem Druck stehenden Gasen deutlich stärker abgeschwächt wird als mittelharte oder harte Röntgenstrahlung.“ Daher konnten Untersuchungen mittels Weichröntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) bislang nur bei atmosphärischem (oder leicht erhöhtem) Druck durchgeführt werden. XAS-Messungen mit Weichröntgenstrahlung bieten jedoch detaillierte Einblicke in die chemischen und elektronischen Eigenschaften von Proben, die Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff oder Übergangsmetalle enthalten.
In der Fachzeitschrift „ACS Photon Science“ beschreibt das Team, dem auch Kolleginnen und Kollegen aus der Gruppe „Probenumgebung“ des HZB sowie vom Lehrstuhl für Chemische Technologie und Katalyse am KIT angehörten, den Aufbau der neuen Probenumgebung und demonstriert deren Funktionsweise anhand der Messung der Redoxreaktion eines Co/Mn-Dünnfilms. Mit dieser neu entwickelten Messzelle ist es nun möglich, viele industriell relevante katalytische Prozesse unter realistischen Bedingungen zu untersuchen.
- 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.
- Marcel Risch wird Professor an der Freien Universität BerlinSeit August 2026 ist Marcel Risch Professor (W2-S) im Fachbereich Physik an der Freien Universität Berlin. Seine Nachwuchsgruppe wird zur Abteilung Mechanismen nachhaltiger Elektrokatalyse. Risch erforscht die fundamentalen Mechanismen elektrokatalytischer Reaktionen und entwickelt auf dieser Grundlage wissens- und datengetriebene Strategien zur Verbesserung von Elektrokatalysatoren für die nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff, Kraftstoffen und Chemikalien.