Beamline PEAXIS

Neue Forschungsinfrastruktur für katalytische Materialien und die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie

Was macht man mit der neuen Beamline?

An PEAXIS wird die elektronische Struktur von neuen Materialien mittels Spektroskopie mit Photonen untersucht. Dabei stehen sowohl katalytische Materialien als auch Materialien für die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie im Vordergrund.

Was ist daran neu?

Erstmals steht eine Beamline für die hochaufgelöste Spektroskopie, bei der der Streuwinkel kontinuierlich geändert werden kann, mit dem Bau von PEAXIS bei BESSY II zur Verfügung. Neu ist die zur Verfügung gestellte Probenumgebung, die einen weiten Temperaturbereich abdeckt, in dem die Materialproben untersucht werden können.

Was ist das Ziel?

Ziel der Forschungsarbeiten an thermoelektrischen Materialien ist es, durch grundlegendes Verständnis der Transportvorgänge von Elektronen und Wärme die Effizienz der Materialien für die Wandlung von thermischer in elektrische Energie erheblich zu steigern. Diese Technologie soll künftig zur Gewinnung von elektrischer Energie eingesetzt werden. Für die katalytischen Materialien ist es wichtig, das Zusammenwirken von Materialien und Licht unter realen Einsatzbedingungen zu studieren. Somit können künftig Solarkraftstoffe für die saubere Energiegewinnung verwendet werden.

PEAXIS Spektrometer

Layout des neuen PEAXIS Spektrometers, das von der Fa. PREVAC, Rogów, Polen, gefertigt wurde: Die Probenkammer (grün) kann unterschiedliche Manipulatoren (rot) aufnehmen, die an die RIXS-Experimente an Festkörperproben oder Flüssigkeiten angepasst sind. Zudem gestattet der an die Probenkammer angeschlossene Elektronenanalysator (violett) Photoelektronenspektroskopie. Die Gitterkammer (dunkelblau) kann entlang des RIXS-Analysatorarms (hellblau) mit variablem Abstand zwischen Probe und Detektor (orange) positioniert werden. Der Analysatorarm lässt sich kontinuierlich in einem Winkelbereich von +- 55° rotieren.

Über das Projekt PEAXIS

Die neue Experimentierstation PEAXIS (Photo Electron Analysis and X-ray Inelastic Spectroscopy) an BESSY II stellt die Methoden Resonante Inelastische Röntgenstreuung (RIXS) und winkelaufgelöste Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (PES) für die Energiematerialforschung an Flüssigkeiten, Festkörperproben und flüssig-festen Grenzflächen in einem Instrument zur Verfügung [1]. Der RIXS-Aufbau kombiniert hohe Energieauflösung mit einem großen Bereich an Impulsüberträgen. Dabei wird durch die kontinuierliche Rotation des Analysatorarms um die Probe auch ein kontinuierlicher Bereich an Impulsüberträgen zugänglich. Zwei sphärische Präzisionsgitter (Liniendichte 2400 Linien/mm) mit variablem Linienabstand gestatten energieaufgelöste Messungen mit Photonenenergien im Bereich 200-1200 eV.

Zur Untersuchung der elektronischen Struktur von einkristallinen Proben stehen zwei Manipulatoren zur Verfügung, die RIXS und winkelaufgelöste PES im Temperaturbereich 20K -300 K oder 300 K – 1000 K ermöglichen. Für Festkörperproben sind insbesondere Experimente zur elektronischen Struktur und zum elektronischen Transport durch Grenzflächen nanostrukturierter thermoelektrischer Materialien sowie elektro- und photokatalytischer Materialien geplant. RIXS ist elementspezifisch auf die lokale elektronische Struktur empfindlich und liefert wellenvektoraufgelöste Informationen zur Elektron-Photon-Kopplung und damit zur Dynamik in Energiematerialien. Die Kombination von winkelaufgelöster Elektronenspektroskopie und wellenvektoraufgelöster Photonenspektroskopie gestattet die Untersuchung der elektronischen Struktur sowohl im Inneren von Volumenproben als auch an Grenzflächen.

Änderungen in der elektronischen Struktur katalytischer Materialien in Lösung können bei PEAXIS experimentell in Mikrofluidzellen verfolgt werden, die die Untersuchung einer großen Bandbreite unterschiedlicher Materialien ermöglichen: Angefangen von einfachen Übergangsmetallkomplexen bis hin zu Nanomaterialien, die mit organischen oder anorganischen Photoabsorbern versehen sind.

Darüber hinaus gestattet die Verwendung von Photo- und Elektromikrofluidzellen in der Probenkammer von PEAXIS die Weiterentwicklung anwendungsnaher Technologien. Um die Effizienz der photo- bzw. elektrokatalytischen Wasserspaltung zu steigern, ist es beispielsweise notwendig, die lokalen chemischen Reaktionen an den Grenzflächen zu untersuchen. Dazu müssen die transienten molekularen Zustände auf ihren unterschiedlichen Zeitskalen identifiziert und verfolgt werden.   

Das Projekt wird vom HZB und unter dem Förderkennzeichen 05K13KE4 (Fachbereich Physik, Freie Universität Berlin – Prof. E. F. Aziz) vom BMBF gefördert.

[1] Klaus Lieutenant, Tommy Hofmann, Christian Schulz, Mikhail V. Yablonskikh, Klaus Habicht, Emad F. Aziz, Design concept of the high-resolution end-station PEAXIS at BESSY II: Wide-Q-range RIXS and XPS measurements on solids, solutions, and interfaces, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 201 54-65 (2016).

Projektleiter Katalytische Materialchemie: Emad Flear Aziz (Institut für Methoden der Materialentwicklung),

Projektleiter Klaus Habicht Thermoelektrika (Abteilung Methoden zur Charakterisierung von Transportphänomenen in Energiematerialien),

Projektmitarbeiter: Christian Schulz, Jie Xiao, Klaus Lieutenant, Tommy Hofmann