HZB Newsroom

Ein Forschungsteam vom Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) und dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI) hat herausgefunden, wie Karbonatmoleküle die Umwandlung von CO₂ in nützliche Kraftstoffe durch Gold-Elektrokatalysatoren beeinflussen. Ihre Studie beleuchtet, welche molekularen Mechanismen bei der CO₂-Elektrokatalyse und der Wasserstoffentwicklung eine Rolle spielen und zeigt Strategien zur Verbesserung der Energieeffizienz und der Selektivität der katalytischen Reaktion auf.

Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren haben das Potenzial, teure Platinkatalysatoren in Brennstoffzellen zu ersetzen. Dies zeigt eine Studie aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Universitäten in Tartu und Tallinn, Estland. An BESSY II beobachtete das Team, wie sich komplexe Mikrostrukturen in den Proben bilden. Anschließend analysierten sie, welche Strukturparameter für die Förderung der bevorzugten elektrochemischen Reaktionen besonders wichtig waren. Der Rohstoff für solche Katalysatoren ist gut zersetzter Torf.

Hybride 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.

Das indische Ministerium für Wissenschaft und Technologie hat die Empfängerinnen und Empfänger des Vaishvik Bhartiya Vaigyanik (VAIBHAV)-Stipendiums bekannt gegeben, einer Flaggschiff-Initiative zur Förderung der Zusammenarbeit zwischen der indischen Forschungs-Diaspora in den MINT-Fächern und führenden Forschungseinrichtungen in Indien. Zu den Preisträgern 2025 zählt Dr. Prashanth W. Menezes, der am HZB die Abteilung für Materialchemie für Katalyse leitet.

Sasol Research & Technology und das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) erweitern ihre Partnerschaft auf den Bereich der Digitalisierung. Dabei bauen sie auf gemeinsamen Anstrengungen im Rahmen des CARE-O-SENE-Projekts und einer Anfang 2025 ins Leben gerufenen Industrial Fellowship auf. Die neue Initiative ist ein Schritt vorwärts bei der Nutzung digitaler Technologien, um Innovation bei Katalysatoren zu beschleunigen und die  wissenschaftliche Zusammenarbeit zu vertiefen.

Ein neu entwickeltes Material kann die Kapazität und Stabilität von Lithium-Schwefel-Batterien deutlich verbessern. Es basiert auf Polymeren, die ein Gerüst mit offenen Poren bilden. In der Fachsprache werden sie radikale kationische kovalente organische Gerüste oder COFs genannt. In den Poren finden katalytisch beschleunigte Reaktionen statt, die Polysulfide einfangen, die ansonsten die Lebensdauer der Batterie verkürzen würden. Einige der experimentellen Analysen wurden an der BAMline an BESSY II durchgeführt. Prof. Yan Lu, HZB, und Prof. Arne Thomas, Technische Universität Berlin, haben diese Arbeit gemeinsam vorangetrieben.

Mit der Kombination aus Spektromikroskopie an BESSY II und mikroskopischen Analysen am NanoLab von DESY gelang es einem Team, neue Einblicke in das chemische Verhalten von Nanokatalysatoren während der Katalyse zu gewinnen. Die Nanopartikel bestanden aus einem Platin-Kern mit einer Rhodium-Schale. Diese Konfiguration ermöglicht es, strukturelle Änderungen beispielsweise in Rhodium-Platin-Katalysatoren für die Emissionskontrolle besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass Rhodium in der Schale unter typischen katalytischen Bedingungen teilweise ins Innere der Nanopartikel diffundieren kann. Dabei verbleibt jedoch der größte Teil an der Oberfläche und oxidiert. Dieser Prozess ist stark von der Oberflächenorientierung der Nanopartikelfacetten abhängig.

Metalloxide kommen in der Natur reichlich vor und spielen eine zentrale Rolle in Technologien wie der Photokatalyse und der Photovoltaik. In den meisten Metalloxiden ist jedoch aufgrund der starken Abstoßung zwischen Elektronen benachbarter Metallatome die elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Ein Team am HZB hat nun zusammen mit Partnerinstitutionen gezeigt, dass Lichtimpulse diese Abstoßungskräfte vorübergehend schwächen können. Dadurch sinkt die Energie, die für die Elektronenbeweglichkeit erforderlich ist, so dass ein metallähnliches Verhalten entsteht. Diese Entdeckung bietet eine neue Möglichkeit, Materialeigenschaften mit Licht zu manipulieren, und birgt ein hohes Potenzial für effizientere lichtbasierte Bauelemente.

Im Juni und Juli 2025 verbrachte der Katalyseforscher Nico Fischer Zeit am HZB. Es war sein „Sabbatical“, für einige Monate war er von seinen Pflichten als Direktor des Katalyse-Instituts in Cape Town entbunden und konnte sich nur der Forschung widmen. Mit dem HZB arbeitet sein Institut an zwei Projekten, die mit Hilfe von neuartigen Katalysatortechnologien umweltfreundliche Alternativen erschließen sollen. Mit ihm sprach Antonia Rötger.

Wasserstoff wird künftig eine wichtige Rolle spielen, als Brennstoff und als Rohstoff für die Industrie. Um jedoch relevante Mengen an Wasserstoff zu produzieren, muss Wasserelektrolyse im Multi-Gigawatt-Maßstab machbar werden. Ein Engpass sind die benötigten Katalysatoren, insbesondere Iridium ist ein extrem seltenes Element. Eine internationale Kooperation hat daher Iridiumfreie Katalysatoren für die saure Wasserelektrolyse untersucht, die auf dem Element Kobalt basieren. Durch Untersuchungen, unter anderem am LiXEdrom an der Berliner Röntgenquelle BESSY II, konnten sie Prozesse bei der Wasserelektrolyse in einem Kobalt-Eisen-Blei-Oxid-Material als Anode aufklären. Die Studie ist in Nature Energy publiziert.

An den enorm großen inneren Oberflächen von MXenen können sich katalytisch aktive Partikel anheften. Mit diesem raffinierten Trick lässt sich ein preiswerter und viel effizienterer Katalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion realisieren, die bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff bislang als Engpass gilt. Dies hat eine internationale Forschergruppe um die HZB-Chemikerin Michelle Browne nun in einer aufwendigen Untersuchung nachgewiesen. Die Studie ist in Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Der südafrikanische Chemiker Denzil Moodley ist der erste Industrial Research Fellow am HZB. Er ist federführend am Projekt CARE-O-SENE beteiligt. Der Weg zu einem effizienten Katalysator für einen nachhaltigen Flugzeug-Treibstoff soll durch das Fellowship-Programm weiter beschleunigt werden. Im Interview berichtet er über das Projekt und darüber, warum es so entscheidend ist, dass Forschende aus Industrie und öffentlicher Forschung zusammen arbeiten.

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.

Clathrate 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.

Anders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.

Dr. Moses Alfred Oladele arbeitet in einem gemeinsamen Projekt mit der Gruppe von Dr. Matt Mayer, HZB, und Prof. Andreas Taubert, Universität Potsdam, an innovativen Photokatalysatoren zur Umwandlung von CO₂ mit Licht. Der Chemiker von der Redeemer‘s University in Nigeria, kam mit einem Georg-Forster-Forschungsstipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung nach Berlin und wird zwei Jahre am HZB forschen.

Michelle Browne leitet am HZB eine Helmholtz-Nachwuchsgruppe zur Elektrokatalyse. Nun wurde sie von der Daimler und Benz-Stiftung als Stipendiatin ausgewählt. Sie erhält 40.000 Euro in den nächsten zwei Jahren und darüber hinaus Zugang zu einem exzellenten Forschenden-Netzwerk.

In einem kleinen Manganoxid-Cluster haben Teams von HZB und HU Berlin eine besonders spannende Verbindung entdeckt: Zwei Mangan-Zentren mit zwei stark unterschiedlichen Oxidationsstufen und hohem Spin. Dieser Komplex ist das einfachste Modell eines Katalysators, der als etwas größerer Cluster auch in der natürlichen Photosynthese vorkommt und dort die Bildung von molekularem Sauerstoff ermöglicht. Die Entdeckung gilt als wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem vollständigen Verständnis der Photosynthese.

Das HZB arbeitet mit dem südafrikanischen Unternehmen Sasol im Projekt CARE-O-SENE an nachhaltigem Kerosin für die Luftfahrt (SAF) und entwickelt dafür innovative Katalysatoren. Nun verstärkt sich die Zusammenarbeit: Mit Dr. Denzil Moodley kommt ein leitender Wissenschaftler aus dem Bereich Fischer-Tropsch bei Sasol Research and Technology an das HZB. Moodley wird am HZB seine Expertise einbringen, mit dem Ziel, den Innovationszyklus für nachhaltige Kraftstofftechnologien zu beschleunigen.

Eine neuartige Katalysatorplattform, bekannt als Laterally Condensed Catalysts (LCC), wurde entwickelt, um das Design und die Analyse der funktionalen Schnittstelle zu ermöglichen, die die aktive Phase mit ihrer Unterstützung verbindet. Diese Schnittstelle beeinflusst nicht nur die chemischen Eigenschaften der reaktiven Schnittstelle, sondern kontrolliert auch deren Stabilität und damit die Nachhaltigkeit der katalytischen Materialien. Die Entwicklung wurde wesentlich durch die Anwendung von operando-Spektroskopie am Synchrotron BESSY II unterstützt, die es ermöglichte, die dynamischen Prozesse und Strukturen unter Reaktionsbedingungen zu beobachten und zu verstehen.

Die Entwicklung effizienter Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklung (OER) ist entscheidend für den Fortschritt der Protonenaustauschmembran (PEM)-Wasserelektrolyse, wobei Iridium-basierte OER-Katalysatoren trotz der Herausforderungen im Zusammenhang mit ihrer Auflösung vielversprechend sind. Eine gemeinsame Forschung des Helmholtz-Zentrums Berlin und des Fritz-Haber-Instituts hat Einblicke in die Mechanismen der OER-Leistung und der Iridiumauflösung für amorphe hydrierte Iridiumoxide geliefert und das Verständnis dieses kritischen Prozesses vorangetrieben. Messungen an BESSY II haben dazu wesentliche Erkenntnisse geliefert.

Für die Produktion von Wasserstoff mit Elektrolyse werden Iridiumbasierte Katalysatoren benötigt. Nun zeigt ein Team am HZB und an der Lichtquelle ALBA, dass die neu entwickelten P2X-Katalysatoren, die mit nur einem Viertel des Iridiums auskommen, ebenso effizient und langzeitstabil sind wie die besten kommerziellen Katalysatoren. Messungen am EMIL-Labor an BESSY II haben nun ans Licht gebracht, wie die besondere chemische Umgebung im P2X-Kat während der Elektrolyse die Wasserspaltung befördert.

Einem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.

Die Materialklasse der MXene besitzt vielfältige Talente. Nun hat ein internationales Team um HZB-Chemikerin Michelle Browne gezeigt, dass MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bei der elektrolytischen Wasserspaltung geeignet sind. Dabei arbeiten sie stabiler und effizienter als die derzeit besten Metalloxid-Katalysatoren. Das Team hat die neuartigen Katalysatoren für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser nun umfassend an der Berliner Röntgenquelle BESSY II und am Synchrotron Soleil, Frankreich, charakterisiert.

Der Plan klingt bestechend: Neuartige Elektrolyseure sollen aus ungereinigtem Meerwasser mit Strom aus Sonne oder Wind direkt Wasserstoff erzeugen. Doch bei näherer Betrachtung zeigt sich, dass solche DSE-Elektrolyseure (DSE = Direct Seawater Electrolyzers) noch Jahre anspruchsvoller Forschung erfordern. Dabei sind neuartige Elektrolyseure gar nicht nötig, um Meerwasser für die Produktion von Wasserstoff zu verwenden – eine Entsalzung reicht aus, um Meerwasser für konventionelle Elektrolyseure aufzubereiten. In einem Kommentar im Fachjournal Joule vergleichen internationale Expert*innen Kosten und Nutzen der unterschiedlichen Ansätze und kommen zu einer klaren Empfehlung.

 

Auf der Suche nach dem perfekten Katalysator bekommt HZB-Forscher Robert Seidel nun Rückenwind – durch einen hochkarätigen ERC Consolidator Grant. In der Titelgeschichte stellen wir vor, warum die Röntgenquelle BESSY II für sein Vorhaben eine wichtige Rolle spielt.

Einem internationalen Forschungsteam ist es gelungen, einen Zwischenschritt bei der Katalyse von Alkanen zu beobachten. Mit dem Verständnis dieser Reaktionen lassen sich in Zukunft bestehende Katalysatoren optimieren und neue finden, um zum Beispiel das Treibhausgas Methan in wertvolle Grundstoffe für die Industrie zu verwandeln.

Ein Team aus Berliner Forscher*innen hat ein Laborspektrometer entwickelt, um chemische Prozesse in Lösung zu analysieren – und das mit 500 ps Zeitauflösung. Dies ist nicht nur für die Forschung an molekularen Prozessen in der Biologie interessant, sondern auch für die Entwicklung von neuartigen Katalysatormaterialien. Bisher war dafür allerdings meist Synchrotronstrahlung erforderlich, wie sie nur an großen, modernen Röntgenquellen wie BESSY II zur Verfügung steht. Nun funktioniert das Verfahren mit einer Plasmalichtquelle im Labormaßstab.

Indiumphosphid ist ein vielfältig einsetzbarer Halbleiter. Das Material lässt sich für Solarzellen, zur Wasserstoffgewinnung und sogar für Quantencomputer nutzen – und das mit rekordverdächtiger Effizienz. Was dabei an seiner Oberfläche vor sich geht, ist bisher aber kaum erforscht. Diese Lücke haben Forschende jetzt geschlossen und mit ultraschnellen Lasern die Dynamik der Elektronen im Material unter die Lupe genommen.

Gefriergussverfahren sind ein kostengünstiger Weg, um hochporöse Materialien mit hierarchischer Architektur, gerichteter Porosität und multifunktionalen inneren Oberflächen herzustellen. Gefriergegossene Materialien eignen sich für viele Anwendungen, von der Medizin bis zur Umwelt- und Energietechnik. Ein Beitrag im Fachjournal „Nature Reviews Methods Primer“ vermittelt nun eine Anleitung zu Gefriergussverfahren, zeigt einen Überblick, was gefriergegossene Werkstoffe heute leisten, und skizziert neue Einsatzbereiche. Ein besonderer Fokus liegt auf der Analyse dieser Materialien mit Tomoskopie.

Die Wechselwirkungen zwischen Phosporsäure und dem Platin-Katalysator in Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen sind komplexer als bisher angenommen. Röntgen-Experimente an BESSY II in einem mittleren Energiebereich (tender x-rays) haben die vielfältigen Oxidationsprozesse an der Platin-Elektrolyt-Grenzfläche entschlüsselt. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle diese Prozesse beeinflusst, so dass sich hier Möglichkeiten bieten, um Lebensdauer und Wirkungsgrad von Brennstoffzellen zu erhöhen. 

Ende Februar 2024 hat ein Team am HZB einen Artikel in Synchrotron Radiation News (SRN) veröffentlicht. Darin beschreibt es die nächsten Entwicklungsziele für die Röntgenquelle sowie das Upgrade Programm BESSY II+ und die Nachfolgequelle BESSY III.

Der Physiker Dr. Robert Seidel hat einen Consolidator Grant des European Research Council (ERC) eingeworben. In den kommenden fünf Jahren erhält er damit Fördermittel von insgesamt zwei Millionen Euro für sein Forschungsvorhaben WATER-X. Seidel will mit modernsten Röntgenmethoden an BESSY II Nanopartikel in wässriger Lösung untersuchen, die als Katalysatoren bei der photokatalytischen Produktion von „grünem“ Wasserstoff eingesetzt werden.

Für die Herstellung von Grünem Wasserstoff sind Katalysatoren nötig, die den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Doch unter Spannung verändert sich die Struktur des Katalysators, was auch die katalytische Aktivität beeinflusst. Ein Forschungsteam aus den Universitäten in Duisburg-Essen und Twente hat u.a. an BESSY II untersucht, wie die Umwandlung von Oberflächen in Perowskit-Oxid-Katalysatoren die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion steuert.

Anoden für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser bestehen meist aus Iridium-basierten Materialien. Um die Stabilität des Iridium-Katalysators zu erhöhen, hat nun ein Team am HZB mit einer Gruppe des HI-ERN eine Probe hergestellt, in der die Konzentration von Iridium und Titanoxiden systematisch variiert. Analysen der einzelnen Probensegmente an BESSY II im EMIL-Labor zeigten, dass sich die Stabilität des Iridium-Katalysators signifikant steigern lässt.

Dass es funktioniert, ist klar: Schon heute gibt es verschiedene Ansätze, um Solarenergie für die Elektrolyse von Wasser zu nutzen und Wasserstoff zu produzieren. Leider ist dieser grüne Wasserstoff bislang teurer als grauer Wasserstoff aus Erdgas. Doch grüner Wasserstoff hergestellt durch Sonnenlicht kann profitabel werden, zeigt eine Studie aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Technischen Universität Berlin.

Es klingt wie Magie: Photoelektroden, die das Treibhausgas CO₂ in Methanol umwandeln oder Stickstoffmoleküle in wertvollen Dünger – und zwar allein mit der Energie des Sonnenlichts. Dass Diamantmaterialien sich dafür eignen, zeigt nun eine Studie aus dem HZB. Durch die Kombination von Röntgen-Spektroskopieverfahren an BESSY II mit weiteren Messmethoden gelang es dem Team um Tristan Petit, erstmals genau zu verfolgen, welche Prozesse an der Oberfläche dieser Materialien durch Licht angeregt werden und worauf es dabei ankommt.

Im April hat Dr. Jie Wei seine Forschungsarbeit in der Helmholtz-Nachwuchsgruppe "Nanoskalige Operando CO₂ Photo-Elektrokatalyse" am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft aufgenommen. Wei erhielt eines der hochkompetitiven Humboldt-Postdoktorandenstipendien und wird sein zweijähriges Projekt unter der Leitung der wissenschaftlichen Gastgeber Dr. Christopher Kley und Prof. Dr. Beatriz Roldan Cuenya durchführen.

Das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid lässt sich durch Elektrolyse zu nützlichen Kohlenwasserstoffen umwandeln. Das Design der Elektrolysezelle ist dabei entscheidend. Für industrielle Prozesse eignet sich vor allem die so genannte Zero-Gap-Zelle. Doch noch gibt es Probleme: Die Kathoden verstopfen schnell. Nun hat ein Team um Dr. Matthew Mayer am HZB untersucht, woran dies liegt und wie sich dieser unerwünschte Prozess verhindern lässt.

Mit Sonnenlicht lässt sich grüner Wasserstoff in photoelektrochemischen Zellen (PEC) direkt aus Wasser erzeugen. Bisher waren Systeme, die auf diesem 'direkten Ansatz' basieren, energetisch nicht wettbewerbsfähig. Die Bilanz ändert sich jedoch, sobald ein Teil des Wasserstoffs in PEC-Zellen in-situ für erwünschte Reaktionen genutzt wird. Dadurch lassen sich wertvolle Chemikalien für die chemische und pharmazeutische Industrie produzieren. Die Zeit für die Energie-Rückgewinnung des direkten Ansatztes mit der PEC-Zelle kann damit drastisch verkürzt werden, zeigt eine neue Studie aus dem HZB.

Eine Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie macht es nun möglich, das Höhenprofil nanometerfeiner Strukturen sowie den elektrischen Strom und die Reibungskraft an fest-flüssig Grenzflächen zeitgleich abzubilden. Damit gelang es einem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie am Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft, elektrokatalytisch aktive Materialien zu analysieren und Einblicke zu gewinnen, die für die Katalysatoroptimierung hilfreich sind. Die Methode eignet sich darüber hinaus auch, um Prozesse an Batterieelektroden, bei der Photokatalyse oder an aktiven Biomaterialien zu untersuchen.

Seit zwei Jahren leitet Dr. Renske van der Veen am HZB eine Forschungsgruppe für zeitaufgelöste Röntgenspektroskopie und Elektronenmikroskopie. Im Zentrum ihrer Forschung stehen katalytische Prozesse, die zum Beispiel die Produktion von grünem Wasserstoff ermöglichen. Nun wurde sie zur S-W2 Professorin im Institut für Optik und Atomare Physik (IOAP) an der Technischen Universität Berlin ernannt.

Ein Team um Dr. Prashanth W. Menezes (HZB/TU-Berlin) hat Kobalt-Eisen-Oxyhydroxide an BESSY II untersucht. Diese Materialklasse zählt zu den besten Anoden-Katalysatoren, um elektrolytisch Wasser aufzuspalten und grünen Wasserstoff zu gewinnen. Insbesondere gelang es, die Oxidationsstufen der aktiven Elemente in verschiedenen Konfigurationen zu bestimmen. Die Ergebnisse könnten zur wissensbasierten Entwicklung neuer hocheffizienter und kostengünstiger katalytisch aktiver Materialien beitragen.

Wasser besitzt nicht nur einige bekannte Anomalien, sondern steckt noch immer voller Überraschungen. Die erste Ausgabe 2023 des Bunsen-Magazins widmet sich der molekularen Wasserforschung, vom Ozean bis zu Prozessen bei der Elektrolyse. Das Heft präsentiert Beiträge von Forschenden, die im Rahmen einer europäischen Forschungsinitiative im „Centre for Molecular Water Science“ (CMWS) kooperieren. Ein Team am HZB stellt darin Ergebnisse aus der Synchrotronspektroskopie von Wasser vor. Denn an modernen Röntgenquellen lassen sich molekulare und elektronische Prozesse in Wasser im Detail untersuchen.

Bislang war es äußerst langwierig, Messungen mit hoher Empfindlichkeit und hoher Ortsauflösung mittels Röntgenlicht im „tender“ Energiebereich von 1,5 - 5,0 keV durchzuführen. Dabei eignet sich genau dieses Röntgenlicht ideal, um Energiematerialien für Batterien oder Katalysatoren, aber auch biologische Systeme zu untersuchen. Dieses Problem hat nun ein Team aus dem HZB gelöst: Die neu entwickelten Monochromatoroptiken erhöhen den Photonenfluss im „tender“ Energiebereich um den Faktor 100 und ermöglichen so hochpräzise Messungen nanostrukturierter Systeme. An katalytisch aktiven Nanopartikeln und Mikrochips wurde die Methode erstmals erfolgreich getestet.

Nanodiamant-Materialien besitzen Potenzial als preisgünstige Photokatalysatoren. Doch bisher benötigten solche Kohlenstoff-Nanopartikel energiereiches UV-Licht, um aktiv zu werden. Das DIACAT-Konsortium hat daher Variationen von Nanodiamant-Materialien hergestellt und analysiert. Die Arbeit zeigt: Wenn die Oberfläche der Nanopartikel mit ausreichend Wasserstoff-Atomen besetzt ist, reicht auch die schwächere Energie von Licht im sichtbaren Bereich für die Anregung aus. Photokatalysatoren auf Basis von Nanodiamanten könnten in Zukunft mit Sonnenlicht CO₂ oder N₂ in Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak umwandeln.

Quantencomputer versprechen erheblich kürzere Rechenzeiten für komplexe Probleme. Aber noch gibt es weltweit nur wenige Quantencomputer mit einer begrenzten Anzahl so genannter Qubits. Quantencomputer-Algorithmen können aber auch auf konventionellen Servern laufen, die einen Quantencomputer simulieren. Ein HZB-Team hat damit nun am Beispiel eines kleinen Moleküls dessen Elektronenorbitale und ihre dynamische Entwicklung nach einer Laserpulsanregung berechnet. Die Methode eignet sich auch, um größere Moleküle zu untersuchen, die mit konventionellen Methoden nicht mehr berechnet werden können.

Photoelektroden auf der Basis von BiVO₄ gelten als Top-Kandidaten für die solare Wasserstofferzeugung. Doch was passiert eigentlich, wenn sie mit Wassermolekülen in Kontakt kommen? Eine Studie im Journal of the American Chemical Society hat diese entscheidende Frage nun teilweise beantwortet: Überschüssige Elektronen aus dotierten Fremdelementen oder Defekten fördern die Dissoziation von Wasser, was wiederum sogenannte Polaronen an der Oberfläche stabilisiert. Dies zeigen Daten aus Experimenten eines HZB-Teams an der Advanced Light Source des Lawrence Berkeley National Laboratory. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, bessere Photoanoden für die grüne Wasserstoffproduktion zu entwickeln.

Bestimmte Metalloxide gelten als gute Kandidaten für Photokatalysatoren, um mit Sonnenlicht grünen Wasserstoff zu produzieren. Ein chinesisches Team hat nun in Nature spannende Ergebnisse zu Kupfer(I)oxid-Partikeln veröffentlicht, zu denen eine am HZB entwickelte Methode erheblich beigetragen hat. Die transiente Oberflächen-Photospannungs-Spektroskopie zeigte, dass positive Ladungsträger an Oberflächen im Laufe von Mikrosekunden durch Defekte eingefangen werden. Die Ergebnisse geben Hinweise, um die Effizienz von Photokatalysatoren zu steigern.

Im Forschungs-Konsortium CARE-O-SENE arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Wegen, synthetisches Kerosin für die Luftfahrt effizient herzustellen. Ein Gespräch mit Tobias Sontheimer vom HZB und Dirk Schär vom ebenfalls beteiligten Konzern Sasol über die nötigen Verfahren, die Hindernisse – und darüber, wie sich der Luftverkehr dekarbonisieren lässt.

Das internationale Forschungsprojekt CARE-O-SENE (Catalyst Research for Sustainable Kerosene) hat vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Förderbescheide in Höhe von 30 Mio. Euro erhalten. Zusätzlich steuern die industriellen Konsortiumspartner 10 Millionen Euro bei. Ziel des Projektes ist es, neuartige Fischer-Tropsch-Katalysatoren zu entwickeln und damit die Produktion von nachhaltigem Kerosin im industriellen Maßstab zu optimieren. Auch das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) ist daran beteiligt.

Mit der Elektrokatalyse von Wasser lässt sich elektrische Energie aus Sonne oder Wind zur Erzeugung von grünem Wasserstoff nutzen und so speichern. Ein Überblicksbeitrag in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie zeigt, wie moderne Röntgenquellen wie BESSY II die Entwicklung von passenden Elektrokatalysatoren vorantreiben können. Insbesondere lassen sich mit Hilfe von Röntgenabsorptionsspektroskopie die aktiven Zustände von katalytisch aktiven Materialien für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bestimmen. Dies ist ein wichtiger Beitrag, um effiziente Katalysatoren aus günstigen und weit verbreiteten Elementen zu entwickeln.

Übergangsmetalle besitzen vielfältige Anwendungen als Werkstoffe und in der Elektrochemie und Katalyse. Um ihre Eigenschaften zu verstehen, ist das Wechselspiel zwischen atomarer Lokalisierung und Delokalisierung der äußeren Elektronen in den d-Orbitalen entscheidend. Diesen Einblick ermöglicht nun eine besondere Messmethode an BESSY II mit höchster Präzision. Eine Studie an Kupfer, Nickel und Kobalt kommt dabei zu quantitativen Erkenntnissen. Die Royal Society of Chemistry hat den Beitrag als HOT Article 2022 ausgewählt.

Presseinformation _ Berlin, 14. September 2022: Die Wissenschaft ist seit Jahrzehnten ein wichtiger Treiber für Innovation und Fortschritt in der Hauptstadtregion. Kreative, talentierte Menschen aus der ganzen Welt kommen zusammen und bringen neue Ideen voran, von denen wir als Gesellschaft profitieren. Viele Entdeckungen – von grundlegenden Erkenntnissen bis zum fertigen Produkt – beruhen auf der Forschung mit Synchrotron-Licht. Seit 40 Jahren haben Forscher*innen in Berlin Zugang zu diesem intensiven Licht. Dies beflügelt viele Wissenschaftsdisziplinen und ist ein Standortvorteil für Deutschland.

Dünnschichten aus Molybdän und Schwefel gehören zu einer Klasse von Materialien, die als (Photo)-Katalysatoren infrage kommen. Solche günstigen Katalysatoren werden gebraucht, um mit Sonnenenergie auch den Brennstoff Wasserstoff zu erzeugen. Allerdings sind sie bislang noch wenig effizient. Ein neues Instrument an BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zeigt nun, wie ein Lichtpuls die Oberflächeneigenschaften der Dünnschicht verändert und das Material katalytisch aktiviert.

Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und die Humboldt-Universität zu Berlin (HU) haben eine Kooperationsvereinbarung geschlossen mit dem Ziel, ein gemeinsames Forschungs­labor für Katalyse im IRIS-Forschungsbau der HU in Adlershof aufzubauen. Der IRIS-Forschungsbau bietet optimale Bedingungen für die Erforschung und Entwicklung von komplexen Materialsystemen.

In Berlin-Adlershof wird ein innovatives Labor- und Bürogebäude für die Katalyseforschung entstehen: CatLab soll zum internationalen Leuchtturm für die Katalyseforschung werden und die Entwicklung neuartiger Katalysatormaterialien vorantreiben, die insbesondere für die Erzeugung von grünem Wasserstoff für die Energiewende dringend benötigt werden. Nun wurde der Architekturwettbewerb entschieden und vier Siegerentwürfe vorgestellt. Das Besondere: Alle Entwürfe legen großes Gewicht auf Nachhaltigkeit und Klimaschutz.