Valenz-Photoelektronen- und Augeremissions-Spektroskopie an der Festkörper-Flüssigkeits-Grenzfläche unter photochemischen Operando-Bedingungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Solarenergie ist unsere unerschöpfliche, natürliche Energiequelle und spielt eine zentrale Rolle bei der Bewältigung des zukünftigen, globalen Energiebedarfs, der aufgrund wachsender Bevölkerungszahlen und der zunehmenden Nachfrage nach sauberer Energieerzeugung stetig steigt. Hierbei stellt die größte Herausforderung neben einer effizienten Energiegewinnung die Speicherung in sogenannten solaren Brennstoffen dar, bei denen die Energie in chemischen Bindungen gespeichert ist. Dieses ist analog zur natürlichen Photosynthese, bei der Pflanzen Sonnenlicht, Wasser und CO2 in nutzbare Energieformen umwandeln. Einer der vielversprechendsten, technisch nutzbaren Prozesse, der in Zukunft herkömmliche Konzepte der Energiegewinnung durch nicht-erneuerbare Rohstoffe verdrängen wird, ist die Spaltung von Wasser an katalytischen Oberflächen mit Hilfe des Sonnenlichtes und/oder einer angelegten Spannung. Technisch kann dies mit einer (photo-) elektrochemischen Zelle realisiert werden, die aus einem wässrigen Elektrolyten, einer dem Sonnenlicht ausgesetzten Halbleiter-Anode, und einer Metall-Kathode besteht. Zwei grundlegende Reaktionen bestimmen die Wasserspaltung: die Bildung von molekularem Sauerstoff, O2, an der Photoanode und die Bildung von Wasserstoffgas, H2, an der Kathode. Der Schwerpunkt dieses Projektes lag auf der Röntgen-spektroskopischen Untersuchung der ersten der beiden Reaktionen an der Elektrolyt-Anoden-Grenzfläche und hier insbesondere die Anwendung von (resonanter) Auger- und Valenz-Elektronenspektroskopie für das Verständnis der elektronischen Struktur besagter Grenzfläche. Mithilfe von neuartigen und innovativen Messtechniken, wie der Mikro-Flüssigkeitsstrahltechnik, dem Graphen-bedeckten Membran-Elektroden Aufbau unter operando Bedingungen sowie der nahe dem Umgebungsdruck vorgenommenen Photoelektronen-Spektroskopie an kondensierten Wasserschichten auf elektrodeponierten Halbleiterschichten konnten wesentliche, für die bei der (photo)elektrokatalytischen Wasserspaltung ablaufenden Mechanismen auf atomarer Ebene aufgeklärt werden. Die zu untersuchenden Katalysator-Systeme waren auf Eisen basierte Oxide (Fe2O3) und Mischoxide (Fe0.75Ni0.25Ox) sowie sauerstofffreie Fe-N-C-Katalysatoren und Cobaltoxid- und Titandioxid Nanopartikel in wässriger oder elektrolytischer Lösung. Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse geben neue Einblicke in die untersuchten katalytisch aktiven Grenzflächen und tragen entscheidend bei deren rationaler Optimierung und der Erstellung zukünftiger Konzepte für eine verbesserte (solare) Energiekonvertierung bei.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Advances in liquid phase soft-x-ray photoemission spectroscopy: A new experimental setup at BESSY II. Review of Scientific Instruments, 88(7).
Seidel, Robert; Pohl, Marvin N.; Ali, Hebatallah; Winter, Bernd & Aziz, Emad F.
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Molecular species forming at the α-Fe2O3 nanoparticle–aqueous solution interface. Chemical Science, 9(19), 4511-4523.
Ali, Hebatallah; Seidel, Robert; Pohl, Marvin N. & Winter, Bernd
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Electronic structure of aqueous-phase anatase titanium dioxide nanoparticles probed by liquid jet photoelectron spectroscopy. Journal of Materials Chemistry A, 7(12), 6665-6675.
Ali, Hebatallah; Seidel, Robert; Bergmann, Arno & Winter, Bernd
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In-Situ X-ray Spectroscopy of the Electric Double Layer around TiO2 Nanoparticles Dispersed in Aqueous Solution: Implications for H2 Generation. ACS Applied Nano Materials, 3(1), 264-273.
Ali, Hebatallah; Golnak, Ronny; Seidel, Robert; Winter, Bernd & Xiao, Jie
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Photoelectron spectra of alkali metal–ammonia microjets: From blue electrolyte to bronze metal. Science, 368(6495), 1086-1091.
Buttersack, Tillmann; Mason, Philip E.; McMullen, Ryan S.; Schewe, H. Christian; Martinek, Tomas; Brezina, Krystof; Crhan, Martin; Gomez, Axel; Hein, Dennis; Wartner, Garlef; Seidel, Robert; Ali, Hebatallah; Thürmer, Stephan; Marsalek, Ondrej; Winter, Bernd; Bradforth, Stephen E. & Jungwirth, Pavel
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Reversible Water-Induced Phase Changes of Cobalt Oxide Nanoparticles. ACS Nano, 14(11), 15450-15457.
Hein, Dennis; Wartner, Garlef; Bergmann, Arno; Bernal, Miguel; Roldan, Cuenya Beatriz & Seidel, Robert
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Spectroscopic evidence for a gold-coloured metallic water solution. Nature, 595(7869), 673-676.
Mason, Philip E.; Schewe, H. Christian; Buttersack, Tillmann; Kostal, Vojtech; Vitek, Marco; McMullen, Ryan S.; Ali, Hebatallah; Trinter, Florian; Lee, Chin; Neumark, Daniel M.; Thürmer, Stephan; Seidel, Robert; Winter, Bernd; Bradforth, Stephen E. & Jungwirth, Pavel
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Insights into the electronic structure of Fe–Ni thin-film catalysts during the oxygen evolution reaction using operando resonant photoelectron spectroscopy. Journal of Materials Chemistry A, 11(15), 8066-8080.
Wartner, Garlef; Hein, Dennis; Bergmann, Arno; Wendt, Robert; Roldan, Cuenya Beatriz & Seidel, Robert
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The Metal-Oxide Nanoparticle–Aqueous Solution Interface Studied by Liquid-Microjet Photoemission. Accounts of Chemical Research, 56(13), 1687-1697.
Ali, Hebatallah; Winter, Bernd & Seidel, Robert
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Operando X-ray absorption spectroscopy of Fe–N–C catalysts based on carbon black and biomass-derived support materials for the ORR. Sustainable Energy & Fuels, 8(10), 2309-2320.
Wartner, Garlef; Müller-Hülstede, Julia; Trzesniowski, Hanna; Wark, Michael; Wagner, Peter & Seidel, Robert
