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Nanoanalytik und Grenzflächen

Der Schwerpunkt der unabhängigen Forschungsgruppe „Nanoanalytik und Grenzflächen“ liegt auf der hochauflösenden strukturellen und chemischen Analyse von Materialien für die Energiewende und die Wasserstofftechnologie. Aberrationskorrigierte Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) und ihre analytischen Methoden wie die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) kommen zum Einsatz um die Struktur und die chemische Zusammensetzung der Materialien bis zur atomaren Skala aufzudecken. Ein Fokus liegt auf der Untersuchung von Defekten wie Grenzflächen und Korngrenzen sowie dem Effekt der Nanostrukturierung. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse werden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen aufgeklärt. Des Weiteren werden Strategien entwickelt, um die Eigenschaften zu verbessern und die Stabilität der Materialien zu erhöhen. Die Einsatzgebiete der Materialien reichen dabei von der Photokatalyse, Brennstoffzellen bis hin zu Thermoelektrika. Zudem werden dünne Filme für Metallisierungen und Schutzschichten erforscht.

Der stetig ansteigende Energieverbrauch und die Ressourcenerschöpfung fossiler Brennstoffe erfordert die Erforschung alternativer, kostengünstiger und umweltverträglicher Materialien für die Energie- und Brennstoffgewinnung. Unsere Gruppe ist auf diesem Gebiet aktiv, indem sie Materialien für die gesamte Wertschöpfungskette der Wasserstofftechnologie entwickelt und optimiert. Dies beginnt mit (photo)elektrokatalytisch aktiven Materialien, die zur Erzeugung von grünem Wasserstoff entweder durch lichtgetriebene Wasserspaltung oder durch Elektrolyse mit Hilfe erneuerbarer Energien verwendet werden. Dieser grüne Wasserstoff kann in Brennstoffzellen zum Einsatz kommen, und die Materialsysteme, aus denen Brennstoffzellen bestehen, werden von uns ebenfalls untersucht. Die einzigen Nebenprodukte beim Betrieb von Brennstoffzellen sind Wasser und Wärme. Im Idealfall kann die Abwärme durch thermoelektrische Geräte in Elektrizität umgewandelt werden.Unserer Gruppe beschäftigt sich daher auch mit der Materialklasse der Thermoelektrika. Weitere Forschungsfelder sind neue Materialien für Batterien, und Wasserstoffspeicher.

Um Materialien für erneuerbare Energien zu entwerfen und zu optimieren, müssen ihre Nano-/Mikrostruktur und Defekte bis auf die atomare Ebene entschlüsselt werden. Unsere wissenschaftlichen Konzepte basieren auf der Anwendung und Entwicklung moderner Ex-situ- und In-situ-Elektronenmikroskopietechniken wie der aberrationskorrigierten (Raster-)Transmissionselektronen-mikroskopie ((S)TEM), der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) und der Elektronenenergie-verlustspektroskopie (EELS). Mit diesen Methoden werden die atomistische Struktur, die chemische Zusammensetzung und die Bindung von Materialdefekten in massiven Materialien, dünnen Filmen oder einzelnen Nanostrukturen erforscht. Für die Analyse der EDX- und EELS-Daten werden eigene Tools entwickelt. Die 3D-Morphologie von Nanostrukturen wird mittels Elektronentomographie charakterisiert. Häufig wird ein korrelativer Ansatz verwendet, bei dem die beschriebenen STEM-Techniken mit der Atomsondentomographie (APT) oder mit dem Electron Channeling Contrast Imaging (ECCI) und Elektronenrückstreubeugungsexperimenten (EBSD) kombiniert werden, die in einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) durchgeführt werden.  Die beobachteten nano-/mikrostrukturellen Merkmale werden mit den funktionellen Eigenschaften (optisch, elektrisch, thermisch oder elektrochemisch) verknüpft. Dies ermöglicht es, Beziehungen zwischen Eigenschaften und Nano-/Mikrostruktur herzustellen, Materialkonzepte zu optimieren, neue Synthesewege zu entwickeln oder vorteilhafte (oder nachteilige) Auswirkungen von Dotierstoffen und Verunreinigungen aufzudecken.

Die Stabilität von Materialien für erneuerbare Energien ist eine Voraussetzung für eine erfolgreiche Anwendung. Unsere Gruppe versucht Degradationsphänomenen zu verstehen und entwickelt Methoden, um diese aufzuklären. So wurde z. B. die am MPIE bestehende Scanning-Durchflusszelle die mit einem induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometer (iSFC-ICPMS) gekoppelt ist, mit einer Lichtquelle ergänzt, um die Photostabilität von Absorbermaterialien zu untersuchen. Kurz gesagt, die Materialauflösung kann online überwacht und mit post-mortem STEM/APT-Studien korreliert werden, um die strukturellen Veränderungen nach photoelektrochemischen Zyklen zu beobachten. Weitere Aktivitäten basieren auf TEM Untersuchungen von einzelnenNanopartikel, die während elektrochemischer Zyklen untersucht werden wodurch die Aufdeckung von Degradationsphänomenen ermöglicht wird. Die thermische Stabilität, ein wichtiges Thema für verschiedene Materialien für erneuerbare Energien, wird durch in situ elektronenmikroskopische Heizexperimente untersucht.

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