BESSY II: Lokalisierung von d-Elektronen vermessen
An BESSY II lässt sich mit Auger-Photo-Electronen-Coinzidenz Spektroskopie (APECS) die Lokalisierung von d-Elektronen in Kobalt im Vergleich zu Nickel und Kupfer präzise ermitteln. © adobestock
Übergangsmetalle besitzen vielfältige Anwendungen als Werkstoffe und in der Elektrochemie und Katalyse. Um ihre Eigenschaften zu verstehen, ist das Wechselspiel zwischen atomarer Lokalisierung und Delokalisierung der äußeren Elektronen in den d-Orbitalen entscheidend. Diesen Einblick ermöglicht nun eine besondere Messmethode an BESSY II mit höchster Präzision. Eine Studie an Kupfer, Nickel und Kobalt kommt dabei zu quantitativen Erkenntnissen. Die Royal Society of Chemistry hat den Beitrag als HOT Article 2022 ausgewählt.
Übergangsmetalle und Buntmetalle wie Kupfer, Nickel oder Kobalt eignen sich nicht nur als Werkstoffe, sondern auch für vielfältigste Anwendungen in der Elektro-Chemie und -Katalyse. Ihre besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften hängen mit der Besetzung der äußeren d-Orbitalschalen rund um die Atomkerne zusammen. Die energetischen Niveaus der Elektronen sowie ihre Lokalisierung oder auch Delokalisierung lassen sich hervorragend an der Röntgenquelle BESSY II untersuchen.
Kupfer, Nickel, Kobalt
Das Team des Uppsala-Berlin Joint Lab (UBjL) um Prof. Alexander Föhlisch und Prof. Nils Mårtensson hat nun neue Messungen an Kupfer- Nickel- und Kobaltproben veröffentlicht. Dabei bestätigten sie bekannte Befunde zu Kupfer, dessen d-Elektronen atomar lokalisiert sind, sowie für Nickel, in welchem lokalisierte mit delokalisierten Elektronen koexistieren. Beim Element Kobalt, welches für Batterien und als Legierung in Brennstoffzellen eingesetzt wird, waren bisherige Befunde jedoch widersprüchlich, da die Messgenauigkeit nicht ausreichte, um klare Aussagen zu treffen.
Hochempfindliche Spektrometer
An der Röntgenquelle BESSY II, die leistungsstarke Synchrotronstrahlung bietet, hat das Uppsala-Berlin joint Lab ein Instrument mit der erforderlichen Präzision aufgebaut. Mit der Auger-Photo-Elektronen-Coinzidenz-Spectroskopie (APECS) lassen sich hier die elektronische Lokalisierung bzw. Delokalisierung messen. Das deutsch-schwedische Team entwickelte dafür die „Angle resolved Time of Flight“ (ArTOF) Elektronenspektrometer, deren Nachweiseffizienz die von standardisierten hemisphärischen Analysatoren um Größenordnungen übertrifft. Ausgerüstet mit zwei ArTOF Elektronenspektrometern ist die von UBjL Wissenschaftler Dr. Danilo Kühn betreute Experimentstation CoESCA@UE52-PGM weltweit einzigartig.
Methode steht auch Messgästen zur Verfügung
Beim Element Kobalt zeigten nun die Messungen, dass die d-Elektronen des Kobalts als hochgradig delokalisiert anzusehen sind. „Dies ist ein wichtiger Schritt für eine quantitative Bestimmung elektronischer Lokalisation an einer Vielzahl von Werkstoffen, Katalysatoren und (elektro)chemischen Prozessen“, sagt Föhlisch.
Die Royal Society of Chemistry hat den Beitrag daher als HOT Article 2022 ausgewählt, auch mit der Intention, dass diese Messmethode breites Interesse in der Forschung weckt. Die Endstation steht auch internationalen Messgästen an BESSY II zur Verfügung, die sich zweimal jährlich um Messzeit bewerben können.
- 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.