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.
- Erstmals gesicherte Zahlen: Investitionen in BESSY lohnen sich für Berlin und DeutschlandEine Wirkungsanalyse des DIW Econ zeigt den wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Wert von BESSY II. Jeder investierte Euro bringt Deutschland drei Euro ein, dem Land Berlin sogar zehn Euro. Darüber hinaus gibt die Studie eine wirtschaftliche Prognose zum Bau von BESSY III.
Die Wirkungsanalyse wurde am 3. September 2026 an Dr. Henry Marx, Staatssekretär für Wissenschaft und Forschung im Berliner Senat übergeben. Er befürwortet Investitionen und setzt sich mit Nachdruck für BESSY III ein. - BESSY II gibt Einblick in die Oxidationsprozesse von KupferBevor sich reines Kupferoxid bildet, entstehen komplexe Superstrukturen aus Kupfer- und Sauerstoffatomen wie „29“CuxO. Einblicke in diese „29“-CuxO-Superstruktur sind relevant für die Katalysatorforschung und den Korrosionsschutz bei der Entwicklung von Kupferbehältern für Endlager für radioaktive Abfälle.
- Wichtiger Schritt zum Nachweis von Fraktonen in QuantenspinflüssigkeitenNachdem allgemeinere Eichfeldtheorien die Existenz von Fraktonen in Quantenspinflüssigkeiten bereits vorhergesagt haben, ist es einem Team des HZB gelungen diese Quasiteilchen auch in einem Quanten-Festkörpermodell nachzuweisen.