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.“
- Durchbruch: Erster Elektronenstrahl im SEALab bringt Beschleunigerphysik voranWeltweit zum ersten Mal hat das SEALab-Team am HZB in einem supraleitenden Hochfrequenzbeschleuniger (SRF Photoinjektor) einen Elektronenstrahl aus einer Multi-Alkali-Photokathode (Na-K-Sb) erzeugt und auf relativistische Energien beschleunigt. Dies ist ein echter Durchbruch und eröffnet neue Optionen für die Beschleunigerphysik.
- Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders 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.