Röntgenmethoden zur Struktur- und Phasenaufklärung
Unser Team konzentriert sich auf die Implementierung modernster Röntgenmethoden für die Hauptaspekte der Struktur-, Phasen- und chemischen Zustandsanalyse mittels Labor- und Synchrotron-basierter Methoden. Diese Methoden umfassen derzeit in unserem Team Pulver- und Einkristall-Röntgenbeugung (PXRD und SCXRD), Methoden der Röntgenkleinwinkelstreuung (SAX), Methoden der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und fortgeschrittene Synchrotronmethoden wie Röntgenabsorptions-Nahkantenspektroskopie (XANES in verschiedenen Modi – HERFD, RIXS, XES) und EXAFS. Wir wenden diese Methoden sowohl ex-situ als auch im in-operando Modus an.
Untersuchung der Phasenstabilität und -reinheit
Die chemische Reinheit/Phasenreinheit von Materialien spielt eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften fortschrittlicher Energiematerialien. Für eine präzise Analyse der Phasenreinheit nutzen wir Methoden der klassischen Pulverbeugung (PXRD). Wir sind gut ausgestattet mit zwei PXRD-Geräten, mit denen wir auf die Charakterisierung der Phasenreinheit bis zu 0,5 Gew.-% zugreifen können. Die Messungen werden sowohl im Transmissions- als auch im Reflexionsmodus an Pulver- oder Mikrofilmproben durchgeführt. Zur Bestimmung der Phasenstabilität nutzen wir XRD-Experimente unter erhöhter Temperatur (HT-XRD) oder/und kontrollierter Atmosphäre (Feuchtigkeit/Gasgehalt). Die HT-XRD-Experimente werden an Pulverproben (HT-PXRD bis 1000 °C) oder an einkristallinen Proben (HT-SCXRD bis 800 °C) mit unserer fortschrittlichen Ausstattung mit Doppelquelle (Mo und Ag) durchgeführt. Diese Methodenpalette ermöglicht uns eine serielle/routinemäßige sowie präzise Charakterisierung der Reinheit kristalliner Energiematerialien und ihrer Phasenstabilität. 1 Unsere Ausstattung ermöglicht uns in-situ/in-operando Studien zur Stabilität und Entwicklung von Batterie-/Elektrolyseurmaterialien in laufenden Zellen.
Untersuchung der atomaren Nah- und Fernordnung
Die Eigenschaften der Materialien hängen direkt von ihrer atomaren Struktur ab. Wir führen Studien zu atomaren Strukturen von IET-1-Materialien durch, indem wir Laboreinrichtungen für PXRD und Einkristall-Röntgenbeugung (SCXRD) nutzen. Unser hochmodernes SCXRD-System mit Doppelquelle (hochintensives IμS-Diamant-Mo und Ag) ermöglicht die präzise Untersuchung sehr kleiner Kristalle bis zu 5 μm.2, 3 Wir verwenden die Rietveld-Methode zur Untersuchung der atomaren Ordnung in Pulverproben und verschiedene Ansätze zur Lösung der Strukturen aus den Einkristalldaten. Für beide Methoden (PXRD und SCXRD) sind wir mit Hoch- und Niedertemperaturgeräten (HT und LT) und flexiblen Gas-/Feuchtigkeitsatmosphären ausgestattet. Die Datenerfassung am LT im trockenen N2-Strom ist für luft- und feuchtigkeitsempfindliche Proben erforderlich, wie z. B. neue Arten von Batteriematerialien auf Schwefel- oder Halogenidbasis. Die oben beschriebenen Methoden sind für die langfristige Strukturanalyse begrenzt und können ein solides strukturelles Verständnis der Kristallstrukturen klassischer, nicht stark fehlgeordneter Materialien liefern. Für komplexere Materialien verwenden wir diese Daten als Grundmodelle für tiefere Einblicke in die lokale, sogenannte Strukturordnung im Nahbereich.
Zur Charakterisierung der Nahordnung nutzen wir eine Labor-PDF-Anlage (Paarverteilungsfunktion) sowie eine große Synchrotronanlage (ESRF, DESY) für die EXAFS-Datenerfassung (erweiterte Röntgenabsorptions-Feinstruktur). Die PDF-Analyse ist nicht elementspezifisch und kann uns die lokale Verteilung von Atomen für eine Gesamtstruktur kristalliner und nichtkristalliner Materialien liefern. Die EXAFS-Daten sind elementspezifisch und ideal für die Speziation eines ausgewählten Elements in der lokalen Umgebung (Co-EXAFS-Spektren mit Anpassung an ein am IET-1 entworfenes Kathodenmaterial mit hoher Entropie). PDF und EXAFS können auch auf einen in-situ/in-operando Prozess für dynamische Studien struktureller Transformationen angewendet werden. Mithilfe sowohl von Fern- als auch von Kurzstreckenansätzen können wir die atomaren Strukturen der am IET-1 erzeugten hochentwickelten Energiematerialien und ihre strukturelle Entwicklung bei elektrochemischen Prozessen tiefgreifend verstehen.
Untersuchung chemischer Zustände/Bindungen
Um die Oxidationsstufen chemischer Elemente und einige Aspekte der chemischen Bindung in neuen Energiematerialien zu verstehen, die am IET-1 entwickelt und untersucht wurden, verwenden wir XPS (Röntgenphotoelektronenspektroskopie) und synchrotronbasierte XANES-Techniken (Röntgenabsorption nahe Kantenstruktur). 4 Dies ist besonders wichtig für Batterien und katalytische Materialien, da sich der dynamische Oxidationszustand beim Betrieb einer elektrochemischen Zelle ändert. Die von der Oberfläche gesammelten XPS-Daten können durch elementspezifische Massendaten von XANES-Experimenten ergänzt werden. So zeigen wir Unterschiede in hochentropischen Fe-XANES-Kathodenmaterialien vor der Kante mit Mg-Ni-Substitution, was der Änderung der elektronischen Konfiguration der Fe-Atome in der Struktur entspricht. Diese Daten in Kombination mit den Daten zur atomaren Nah- und Fernordnung (oben) geben uns ein vollständiges Bild der Phasenstrukturen und chemischen Zustände für alle Arten elektrochemischer Materialien, die am IET-1 entwickelt und untersucht wurden.
Untersuchung von Nano- und Polymerproben mit SAXS-Techniken
Die elektrochemischen Materialien, die in IET-1 untersucht werden, liegen häufig in Form von Polymer-/anorganischen Verbundwerkstoffen, Nanopartikeln oder mikro- und mesoporösen Phasen vor. Um die Größe von Partikeln, deren Agglomeration, mögliche Kern/Schale-Strukturen, Partikeloberflächenaspekte und Agglomeration in Polymeren (zum Beispiel in Membranen für die Elektrokatalyse) zu charakterisieren, nutzen wir moderne Techniken der SAXS (Kleinwinkel-Röntgenstreuung). Mit der Verwendung dieser Instrumente befassen wir uns intensiv mit der Analyse der Größe/Form aktiver Partikel für den Einsatz in Batterien und Elektrokatalyse. Ex-situ- und Post-Mortem-Studien enthüllen die Mechanismen der Nanopartikelentwicklung und ihre Stabilität bei elektrochemischen Zyklen in den Arbeitszellen. In Kombination mit anderen Methoden (z. B. BET) eignen sich SAXS-Studien optimal für die aktive Oberflächencharakterisierung elektrochemischer Materialien.
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Letzte Änderung: 14.02.2025