Live-Verfolgung von elektrisch- und photonen-getriebener Katalyse durch vielseitige energie- und zeitaufgelöste Röntgenabsorptions-Spektroskopie (XANES & EXAFS) in aktiv kontrollierten Probenumgebungen (Live-XAS)

Abstract

Für den Übergang zu einer nachhaltigen Wirtschaft ist die Entwicklung neuer Materialien für die Energiespeicherung (z.B. Solarkraftstoffe) und grüne Chemie in der Industrie essentiell. Entsprechende Katalysatormaterialien basieren idealerweise auf häufigen und günstigen Elementen wie Eisen, anstatt auf seltenen und teuren Edelmetallen wie Platin. Elektrochemische und lichtgetriebene Katalyse spielen wichtige Rollen. Ein entscheidendes Hindernis bei der Entwicklung maßgeschneiderter Katalysatoren ist das unzureichende Verständnis der Materialstrukturdynamik unter Operando-Bedingungen und dies war zentrale Motivation des Live-XAS Vorhabens. Das Projekt hat sich mit technischen Weiterentwicklungen der Methode und wissenschaftlichen Experimenten an neuen Materialien für die (Elektro-) Katalyse unter Funktionsbedingungen befasst. Für solche amorphe (redoxaktive) Elektrodenfilme sowie (lichtgetriebene) molekulare Materialien ermöglicht die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) besonders informative Experimente zur (Live-) Verfolgung katalytischer Prozesse, wodurch mechanistische Informationen auf atomarer Ebene für ein tiefes Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen gewonnen werden. Aufbauend auf den in den Vorgänger-Vorhaben getätigten Entwicklungen am Strahlrohr KMC-3 am BESSY-II Berlin haben wir gezielte Instrumentierung des XAS Messaufbaus für verbesserte Signalqualität und Energieauflösung, sowie Experimente z.B. unter Industriebedingungen betrieben. Wissenschaftlich stand die Verfolgung von elektrokatalytischer Wasseroxidation und CO2 Reduktion an diversen Katalysatormaterialien im Vordergrund. Zusammen mit zahlreichen kooperierenden Forschungsgruppen und externen Nutzern wurden die Leistungsfähigkeit des operando-XAS Experiments und die Verbesserungen durch die erfolgte Instrumentierung breit demonstriert. Die gestellten Aufgaben wurden erfolgreich bearbeitet. Durch (1) die Integration eines neuen 7-Element energieauflösenden Silicon-drift Detektors mit Eisen-freien Graphen-Fenstern wurden XAS Untersuchungen mit verbesserter Signalqualität auch an ultra-verdünnten eisenhaltigen Lösungsproben und dünnen Katalysatorfilmen möglich, (2) das Upgrade des Monochromators mit neuem Si[311] Kristallpaar und modernisierter Steuerung erlaubt die Untersuchung von Funktionsmaterialien mit verbesserter Energieauflösung, und (3) die Entwicklung eines Systems aus Durchflusszellen und Elektrolytpumpe für aggressive Medien ermöglicht operando-XAS Experimente auch unter industriell relevanten Reaktionsbedingungen. Mit deutschen und internationalen Partnern wurden zahlreiche operando-XAS Experimente zu chemischer Energieforschung und Batteriematerialien durchgeführt und so der experimentelle Aufbau für den Routinebetrieb etabliert und für die allgemeine Nutzergemeinschaft verfügbar gemacht.