Zwei Freigeist-Fellows am HZB verflechten ihre Forschung
Fabian Weber (rechts) untersucht nun im Team von Dr. Annika Bande (links) die Dynamik von Elektronen-Prozessen in Graphen-Oxid-Quantenpunkten. Solche Quantenpunkte könnten als Katalysatoren die solare Wasserspaltung effizienter machen. Mit den theoretischen Modellierungen von Weber lassen sich aus den experimentellen Daten der Gruppe um Dr. Tristan Petit sehr viel mehr Informationen gewinnen. © HZB
Eine erste Berechnung zeigt, wie sich die Elektronendichte über einem Graphen-Oxid-Nanopartikel in Lösung verändert: In den roten Bereichen ist die Elektronendichte unterdurchschnittlich, während sie in den blauen Regionen überdurchschnittlich groß ist. Das Graphen-Partikel ist aus Kohlenstoffatomen (schwarz) gebildet, an die stellenweise Sauerstoff (rot) oder Wasserstoff (weiß) andockt. © Fabian Weber
Am HZB-Institut für Methoden der Materialentwicklung forschen zwei Freigeist-Fellows, die von der VolkswagenStiftung gefördert werden: Die theoretische Chemikerin Dr. Annika Bande modelliert schnelle Elektronen-Prozesse und Dr. Tristan Petit untersucht Nanoteilchen aus Kohlenstoff. Nun konnte Annika Bande mit einem Modulantrag bei der VolkswagenStiftung zusätzlich 150.000 Euro für eine weitere dreijährige Doktorandenstelle einwerben. Die Doktorarbeit wird beide Freigeist-Vorhaben miteinander verknüpfen.
Der Doktorand Fabian Weber arbeitet in der Theoriegruppe von Annika Bande und soll in den nächsten drei Jahren den Elektronentransfer in einem Materialsystem berechnen, das Tristan Petit und sein Team experimentell untersuchen. „Wir konzentrieren uns auf eine besondere Klasse von so genannten Quantenpunkten aus Graphen-Oxid-Nanoteilchen“, sagt Weber. Die Gruppe um Petit wird Nano-Graphen-Oxide mit verschiedenen spektroskopischen Methoden analysieren.
Katalysatoren für die Solare Wasserstofferzeugung
Denn Nanopartikel aus Graphen-Oxiden gelten als gute Katalysatoren, auch um mit Sonnenenergie Wasser aufzuspalten und Wasserstoff zu erzeugen. Wasserstoff ist ein vielseitiger Energieträger, der als Brennstoff nutzbar ist oder in einer Brennstoffzelle umweltfreundlich Strom erzeugen kann.
Tiefere Einsichten in das System
Mithilfe der theoretischen Modellierungen können die experimentellen Daten zu Nano-Graphen-Oxiden deutlich mehr Informationen liefern, bis hin zu neuen Einblicken in die ultraschnelle Dynamik bei den Wasserstoffbrückenbindungen. „Dabei gehen wir zunächst von bestehenden Theorien aus, und schauen uns an, wie wir damit modellieren können, was bei der Übertragung von Elektronen während einer katalytischen Reaktion genau geschieht“, erklärt Annika Bande. „Bei diesem Forschungsprojekt können wir unsere Ideen direkt mit den experimentellen Befunden abgleichen und das System besser verstehen lernen. Außerdem handelt es sich um ein Thema von großer Relevanz, nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die künftige Energieversorgung unserer Gesellschaft.“
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn 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.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate 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.
- Elegantes Verfahren zum Auslesen von Einzelspins über PhotospannungDiamanten mit spezifischen Defekten können als hochempfindliche Sensoren oder Qubits für Quantencomputer genutzt werden. Die Quanteninformation wird dabei im Elektronenspin-Zustand der Defekte gespeichert. Allerdings müssen die Spin-Zustände bislang optisch ausgelesen werden, was extrem aufwändig ist. Nun hat ein Team am HZB eine elegantere Methode entwickelt, um die Quanteninformation über eine Photospannung auszulesen. Dies könnte ein deutlich kompakteres Design von Quantensensoren ermöglichen.