Woran forschen Sie gerade, Herr Bäumer?

Dr. Christoph Bäumer erforscht Katalysatoren für die Elektrolyse von Wasser. Das sind Materialien, die die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff beschleunigen und so zur effizienten Speicherung von erneuerbarer elektrischer Energie beitragen können. Dazu nutzt er das Oxid-Cluster am Peter Grünberg Institut (PGI-7). In der Anlage erzeugen und untersuchen Forscher unter der Leitung von Prof. Regina Dittmann spezielle Materialien, die als Modellsysteme für Anwendungen in der Informationstechnologie und für die Energiespeicherung dienen. Bei den Materialien handelt es sich um hauchdünne Schichten von sauerstoffhaltigen Verbindungen (Oxiden). Diese besitzen häufig besondere elektronische Eigenschaften. Weil Verunreinigungen aus der Umgebungsluft die Oberfläche der dünnen Schichten verändern können, müssen alle Prozesse in der Anlage im Ultrahochvakuum stattfinden. Der Druck ist dabei über 10 Milliarden Mal geringer als der Umgebungsdruck.

Für ihre Modellsysteme benötigen die Forscher Schichten mit einem möglichst genau definierten Aufbau. Dazu beschießen sie das Ausgangsmaterial im Oxid-Cluster mit gepulster Laserstrahlung. Das Material wird so stark erhitzt, dass ein Plasma entsteht, ein spezielles Teilchengemisch (hellblauer Fleck im Foto), das sich als dünne Schicht auf der Oberfläche eines Trägermaterials abscheidet. Durch dieses Verfahren entsteht eine hauchdünne Schicht mit einer geordneten Kristallstruktur mit geringer Anzahl an Störungen. Außerdem lassen sich Oberflächen bis auf einzelne Atomschichten genau herstellen.

Zu weiteren Untersuchungen werden die Proben in einen anderen Teil der Anlage transportiert. Dazu schiebt ein Greifarm eine Probe in einen magnetischen Transportschlitten. Mit dieser fährt man die Probe dann in einer stahlummantelten Röhre zur nächsten Station.

Mittels Photoelektronenspektroskopie bestimmen Forscher die elektronischen und chemischen Eigenschaften der Probenoberfläche. Diese Eigenschaften sind ausschlaggebend für die katalytische Aktivität. Die Probe (im Bild unten, auf dem silbrig glänzenden Probenteller) wird mit Röntgenstrahlen beschossen (mit dem silbernen Bauteil im Bild rechts oben). Die Röntgenstrahlen erzeugen für die Probe charakteristische Elektronen, sogenannte Photoelektronen. Diese werden von einem Analysator (kupferfarbenes Bauteil im Bild oben links) erfasst. Ihre Energie und Intensität erlauben Rückschlüsse auf die atomare Beschaffenheit der Probenoberfläche.

Mit dem Rasterkraftmikroskop können Forscher die atomare Struktur der Probenoberfläche erfassen, die ebenfalls wichtig für die katalytische Aktivität sein kann. Dazu fährt eine feine Spitze am Ende einer Blattfeder (Bildmitte, oberhalb des goldfarbenen Tellers) über die Probenoberfläche. Durch die Auslenkung der Feder lässt sich die Beschaffenheit der Oberfläche abbilden.

Damit Christoph Bäumer die katalytischen Eigenschaften des Materials untersuchen kann, überführt er die Probe aus dem Ultrahochvakuum der Anlage in eine Handschuhbox mit Schutzgasatmosphäre. Dort wird sie als eine von drei „Elektroden“ in wässrige Elektrolytlösung gestellt und eine Spannung angelegt. Bei ausreichenden Spannungen wird so das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Die Forscher messen die Leistung der Proben-Elektrode und bestimmen so ihre katalytischen Eigenschaften, um sie mit den vorher bestimmten Eigenschaften der Probenoberfläche zu korrelieren. So erhoffen sich die Forscher Einblicke in die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, um möglichst effiziente Katalysatoren zu entwickeln.