Laborbasiertes Röntgenspektrometer für XAFS-Analysen

Das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB) ist ein unabhängiges wissenschaftliches Forschungszentrum unter dem Dach der Helmholtz-Gemeinschaft mit Standorten in Berlin-Adlershof und Wannsee. Der Elektronen-Speicherring BESSY II liefert hochbrillante Synchrotronstrahlung – vom Terahertz- bis in den Röntgenbereich. Mit seinem Schwerpunkt auf VUV- und weicher Röntgenstrahlung eignet sich BESSY II hervorragend für die Analyse von Energiematerialien und Dünnschichtsystemen. Die Weiterentwicklung der Instrumentierung sowie die Erarbeitung eines Konzepts für eine Nachfolgequelle (BESSY III) zählen zu den wichtigsten Aufgaben der kommenden Jahre. An unserem Elektronen-Speicherring BESSY II verzeichnen wir jährlich durchschnittlich 2700 Besuche von Gastforschenden aus 28 Ländern. Jährlich erscheinen 500 bis 600 wissenschaftliche Publikationen, die auf Messungen an BESSY II (sowie bis Ende 2019 auch an BER II) basieren. Gruppe CE-NDEI Die Forschungsaktivitäten der Gruppe „Dynamic Electrocatalytic Interfaces“ (CE-NDEI) konzentrieren sich darauf, die dynamischen Veränderungen katalytischer Oberflächen unter realen Reaktionsbedingungen zu verstehen. Die Gruppe konzipiert und fertigt nanostrukturierte, katalytisch aktive Dünnschicht-Modelloberflächen. Sie untersucht systematisch die strukturellen und zusammensetzungsbezogenen Veränderungen, die während katalytischer Prozesse auftreten, sowie deren Einfluss auf Reaktionsmechanismen und Kinetik in der Elektrokatalyse. Diese Forschung erfolgt durch eine Kombination komplementärer *ex-situ*- und *in-situ*-Experimentierverfahren. Ein zentrales Ziel ist ein detailliertes mechanistisches Verständnis chemischer Prozesse an komplexen, sich dynamisch entwickelnden Grenzflächen – insbesondere bei elektrokatalytischen Reaktionen, die für Technologien zur Energieumwandlung und Energiespeicherung relevant sind. Letztlich zielt die Arbeit darauf ab, die Stabilitätsgrenzen von Elektrokatalysatormaterialien zu überwinden. Das methodische Spektrum der Gruppe umfasst eine Vielzahl physikalischer Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD), moderne elektrochemische Charakterisierungsmethoden, Atomsonden-Tomographie sowie Röntgen-Photoelektronenspektroskopie – einschließlich Messungen an Synchrotronstrahlungsquellen. Die Arbeitsgruppe ist am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) angesiedelt und arbeitet eng mit dem HI ERN, dem Forschungszentrum Jülich (FZJ) sowie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) zusammen. Erweiterung der XPS-Kapazitäten der Arbeitsgruppe CE-NDEI Um die Forschungsmöglichkeiten der Arbeitsgruppe CE-NDEI am HZB auszubauen und die Zusammenarbeit mit dem HI ERN sowie der FAU im Bereich der In-situ-Charakterisierung von Mehrkomponenten-Katalysatormaterialien zu fördern, ist die Anschaffung eines laborbasierten Systems zur Röntgenabsorptionsfeinstruktur-Analyse (XAFS) geplant. Dieses System ermöglicht die In-situ-Untersuchung der elektronischen Struktur von Katalysatoren auf Basis von Übergangsmetallen – sowohl im Transmissions- als auch im Fluoreszenzmodus – und deckt einen Energiebereich von etwa 4,5 bis 25 keV ab (weitere Spezifikationen finden Sie in der separaten technischen Beschreibung). Durch die Ergänzung der bereits vorhandenen Möglichkeiten zur Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) in der Arbeitsgruppe CE-NDEI erlaubt der neue XAFS-Aufbau detaillierte Einblicke in die lokale elektronische und strukturelle Umgebung aktiver Katalysatorkomponenten unter realistischen Betriebsbedingungen. Dieser Fortschritt wird das Verständnis von Struktur-Funktions-Beziehungen in katalytischen Systemen maßgeblich vertiefen. Zudem dürfte die Implementierung dieses laborbasierten XAFS-Systems das Interesse von Forschenden am HI ERN/FZJ sowie an der FAU an In-situ-Spektroskopieverfahren – einschließlich der am BESSY II verfügbaren synchrotronbasierten Methoden – steigern. Auf diese Weise wird die strategische Zusammenarbeit zwischen dem HZB, dem HI ERN und dem FZJ weiter gestärkt. Gemäß Beschreibung der technischen und funktionalen Mindestanforderungen soll ein laborbasiertes Röntgenspektrometer für die Röntgenabsorptionsfeinstruktur-Analyse (XAFS) beschafft werden, das optional auch Röntgenemissionsspektroskopie (XES) ermöglicht. Das Gerät soll in der Lage sein, XANES- und EXAFS-Daten von einer Qualität zu liefern, die mit der an Synchrotronanlagen erzielbaren Qualität vergleichbar ist. Dies soll Forschung und Entwicklung in Bereichen wie Materialwissenschaften, Katalyse, Energiematerialien und verwandten Feldern ermöglichen, ohne dass ein Zugang zu Synchrotronanlagen erforderlich ist. Die technischen Spezifikationen sowie der Leistungsumfang für den Auftragnehmer hinsichtlich der mechanischen Konstruktion und des Baus des Spektrometers sind in den Vergabeunterlagen festgeschrieben. Die Einhaltung dieser Spezifikationen ist durch geeignete Methoden nachzuweisen. Das System muss für den regulären Laboreinsatz geeignet sein und den geltenden Sicherheitsnormen entsprechen. Der Aufbau muss gewährleisten, dass Proben unter den definierten Spezifikationen untersucht werden können.