Neues Labor für Elektrochemische Grenzflächen an BESSY II
Das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) baut mit der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ein gemeinsames Labor für elektrochemische Untersuchungen an Fest-Flüssig-Grenzflächen auf. Das „Berlin Joint Lab for Electrochemical Interfaces“, kurz BElChem, nutzt Röntgenlicht von BESSY II, um Materialien für die regenerative Energiegewinnung zu analysieren.
Das HZB betreibt mit BESSY II eine Synchrotronlichtquelle, die brillante Röntgenpulse erzeugt. Damit lassen sich elektronische und chemische Prozesse in Dünnschichtmaterialien untersuchen. Nun bauen das HZB und die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) gemeinsam ein weiteres neues Labor an BESSY II auf, um Materialsysteme für elektrochemische und katalytische Anwendungen zu analysieren. Für das BElChem-Labor betreiben die Partner drei eigene Strahlrohre, zwei davon erzeugen weiches Röntgenlicht, eines stellt härtere Röntgenstrahlung zur Verfügung.
Analyse von komplexen Materialsystemen
„Mit BElChem schaffen wir ideale Bedingungen, um elektrochemische Prozesse in komplexen Materialsystemen unter realen Bedingungen aufzuklären. Zum Beispiel wollen wir analysieren, wie „Künstliche Blatt“-Systeme funktionieren, die mit Sonnenlicht Wassermoleküle spalten und solaren Wasserstoff erzeugen“, sagt Prof. Dr. Roel van de Krol, der das HZB-Institut für Solare Brennstoffe leitet.
Optimierung von Hochleistungskatalysatoren
Die Partner am Fritz-Haber-Institut (FHI) der MPG fokussieren sich auf katalytisch aktive Materialien. „Unser Team studiert die grundlegenden Prozesse, die bei der Spaltung von Wasser durch elektrischen Strom eine Rolle spielen und bei der Umsetzung des entstehenden Wasserstoffs mit Kohlendioxid beteiligt sind. Damit erarbeiten wir Prinzipien, nach denen Hochleistungskatalysatoren optimiert werden können“, sagt Prof. Dr. Robert Schlögl, der das FHI leitet.
Photoelektronenspektroskopie und spezielle Probenumgebungen
Das Labor wird mit modernsten Instrumenten für die Photoelektronenspektroskopie ausgestattet, spezielle Probenumgebungen ermöglichen Untersuchungen unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur, Schutzgasen). Sechs Postdoktorandenstellen sind für den Aufbau und den Betrieb des neuen gemeinsamen Labors eingeplant. Auch Forschungsgruppen aus anderen Wissenschaftseinrichtungen, Universitäten oder der Industrie können BElChem nutzen.
Partnerschaft mit der MPG erweitert
Mit BElChem erweitern HZB und MPG ihre erfolgreiche Partnerschaft. Die Partner betreiben an BESSY II bereits mehrere Beamlines und haben gemeinsam das Energy Materials In-situ Laboratory (EMIL@BESSY II) aufgebaut, das im Oktober 2016 in Betrieb genommen wurde. EMIL dient ebenfalls der Entwicklung von Energiematerialien, zum Beispiel neuartigen Solarzellen oder Materialsystemen zur Erzeugung von solaren Brennstoffen. Die dort aufgebauten Synthese- und Analytikmöglichkeiten werden nun mit dem Aufbau des Joint Lab BElChem gezielt ergänzt.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem 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.