Im CAT-Labor wird untersucht, wie Katalysatoren in chemische Reaktionen eingreifen und wie man neue Katalysatoren bauen muss, damit sie gewünschte Eigenschaften haben. Katalysatoren spielen eine zentrale Rolle bei der chemischen Energieumwandlung und -speicherung. Besonders wichtig zum Verständnis der Arbeitsweise von Katalysatoren ist die Oberfläche der Materialen.
Im CAT-Labor steht ein Hochdruck-Elektronenspektrometer zur Verfügung, das mit der intensiven Röntgenstrahlung aus BESSY II arbeitet. Das Besondere: Die Katalysatoren können untersucht werden, während sie aktiv Stoffe umwandeln oder z.B. elektrokatalytisch Wasser spalten und damit Wasserstoff gewinnen. Dies wird durch die besondere Konstruktion des Instruments ermöglicht. Es ist optimal auf die Röntgenstrahlung abgestimmt, die mit BESSY II erzeugt und über die EMIL-Strahlrohre zum Instrument geleitet wird. Ihre Qualität ist einzigartig und weltweit nur selten mit den gelieferten Parametern verfügbar.
Links:
Detailansicht einer Reaktionszelle zur spektroskopischen Untersuchung von flüssig-fest Grenzschichten in der Elektrochemie
Rechts:
Modul mit Potentiostat und Schlauchpumpe zur spektroskopischen Untersuchung von flüssig-fest Grenzflächen in der Elektrochemie. Die Schlauchpumpe zirkuliert eine Elektrolytlösung durch eine Reaktionszelle, die mit mehreren Elektroden ausgestattet ist. Mit dem Potentiostaten wird Spannung an diesen Elektroden erzeugt, was z.B. für die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff notwendig ist (Elektrolyse). Der Vorgang der Elektrolyse wird mit Elektronenspektroskopie analysiert.
Ansicht der Probenstation (links) in Messposition vor der Eingangsapertur (rechts) des differentiell gepumpten elektrostatischen Linsensystems des Hochdruck-Elektronenspektrometers
Schnittzeichnung des differentiell gepumpten elektrostatischen Linsensystems eines Hochdruck-Elektronenspektrometers.
Prinzip: Die aus BESSY II kommende Röntgenstrahlung trifft auf die Probe und löst dabei Photoelektronen aus der Probe heraus (Einsteinscher Photoeffekt). Diese treten von links durch die Eingangsapertur („rot“) und werden durch weitere Aperturen „grün“ und „Magenta“ fokussiert und weiter zum Elektronenanalysator geleitet (nicht im Bild). Die Technologie erlaubt in-situ Untersuchungen aktiver Katalysatoren in einer Gasreaktion, wobei das für den Betrieb des Analysators notwendige Hochvakuum erhalten bleibt.
Im neuen CatLab, das aktuell vom HZB und zwei Instituten der Max-Planck-Gesellschaft gemeinsam aufgebaut wird, weiten die Partner ihre Katalyse-Forschung aus. Die aktuellen Herausforderungen der Energiepolitik verlangen eine Beschleunigung dieser Aktivitäten. Wesentliche Mengen der insgesamt benötigten Energie sollen zukünftig in synthetischen stofflichen Energieträgern wie zum Beispiel Wasserstoff gespeichert und transportiert werden. Um die chemische Energie bei Bedarf in elektrische Energie umwandeln zu können - und umgekehrt – sind neuartige maßgeschneiderte Chemo-, Elektro- und Photo-Katalysatoren im industriellen Maßstab notwendig.
Dabei muss jeder Katalysator eine Vielzahl von Funktionen erfüllen, die in einem kontrollierten Herstellungsprozess entwickelt werden. Die Grundlagen zum Verständnis dieser Funktionen werden im CatLab erforscht.
