Jülich, 05.12.2018
„In-situ-SIMS“ geht den Energiewende-Materialien auf den Grund
Im Beisein von Forschungsstaatssekretär Thomas Rachel MdB haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich heute ein neues Analysegerät in Betrieb genommen, mit dem sich die Entwicklung von Materialien für die Energiewende beschleunigen lässt. Moderne Hochleistungsbatterien, Brennstoff- und Elektrolysezellen sowie Membranreaktoren für synthetische Kraftstoffe sind zumeist als komplexe Schicht- und Verbundsysteme aufgebaut. Das neue Flugzeit-Massenspektrometer bietet Jülicher Forschern nun die Möglichkeit, das Verhalten dieser komplexen Materialsysteme im Betrieb zu erkunden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat die Errichtung des Geräts am Jülicher Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA) mit rund zwei Millionen Euro gefördert.
V. l. n. r. Prof. Wolfgang Marquardt (Vorstandsvorsitzender Forschungszentrum Jülich), Forschungsstaatssekretär Thomas Rachel MdB und Dr. Uwe Breuer (ZEA 3).
©Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach
Mit der Energiewende ändern sich auch die Anforderungen in der Energieforschung. Anstelle von Turbinenschaufeln für konventionelle Kraftwerke stehen nun vermehrt Anlagen für die Energieerzeugung und -speicherung im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien auf dem Programm, bei denen immer komplexere Materialien und Verbundsysteme Anwendung finden. Diese Komplexität betrifft sowohl die Vielfalt der verwendeten Materialien wie Keramiken, Metalle, Halbleiter oder organische Schichten, als auch die innere Homogenität und Abfolge der Stapelung von funktionalen Schichten.
Für die Materialwissenschaften erschwert wird die Situation noch dadurch, dass in diesen Materialien dünne Strukturen mit nur wenigen Nanometern Dicke mit deutlich größeren Strukturen kombiniert sind. Die aktuelle Forschung ist zudem darauf ausgerichtet, bereits in der frühen Entwicklungsphase neuer Materialsysteme das Verhalten und die Alterung unter Betriebsbedingungen zu erkunden. Für diese sogenannten "in-situ" und "in-operando" Verfahren sind neue Analysegeräte gefordert, die diese Möglichkeiten bieten.
"Für eine nachhaltige Energieversorgung auf Grundlage erneuerbarer Energien brauchen wir leistungsfähige Materialien. Weil diese zeitnah zur Verfügung stehen sollen, benötigen wir kürzere Entwicklungszeiten. Dafür müssen Tests unter anwendungsnahen Bedingungen durchgeführt werden. Das neue Analysegerät ToF-SIMS V wird dies leisten. Deshalb unterstützt das BMBF die Anschaffung und Errichtung des Geräts im Forschungszentrum Jülich mit 2 Mio. Euro", sagte Thomas Rachel, Parlamentarischer Staatssekretär im Bundesministerium für Bildung und Forschung.
"Das ToF-SIMS V gibt uns als Institut die Möglichkeit, die Entwicklung neuer Materialien zu beschleunigen und sie damit schneller der Gesellschaft für eine erfolgreiche Umsetzung der Energiewende zur Verfügung stellen zu können", erklärt Institutsleiter Dr. Stephan Küppers die Vorteile.
Das neue Sekundärionen-Flugzeit-Massenspektrometer, kurz „ToF-SIMS V“ (engl. „time of flight secondary ion mass spectrometry“), im Jülicher Zentralinstitut für Analytik (ZEA-3), ist für all diese Anforderungen bestens ausgerüstet. Das Gerät ermöglicht es, die chemische Zusammensetzung und räumlichen Elementverteilungen in komplexen Material- und Verbundsystemen mit einem Auflösungsvermögen von bis zu 50 Nanometern zu untersuchen. Eine Spannungszuführung bietet zudem die Möglichkeit, „in-operando“, also im laufenden Betrieb, die Auswirkungen von Ladungs- und Entladungsprozessen aufzuklären, wie sie in Batterien stattfinden. Damit können beispielsweise Lithium-Batterien untersucht werden, die sich an der Atmosphäre sonst verändern würden.
So funktioniert ein Flugzeitmassenspektrometer
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Ein Flugzeitmassenspektrometer macht es sich zunutze, dass Teilchen – elektrisch geladene Ionen – in einem elektrischen Feld mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fliegen, wenn sie eine unterschiedliche Masse besitzen. Je schwerer das Teilchen, desto langsamer fliegt es bei gleicher elektrischer Ladung. Aus der Flugzeit eines Ions über eine bestimmte Strecke lässt sich so seine charakteristische Masse ableiten.
Für die Analyse mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie, kurz ToF-SIMS, wird die Probe mit einem Ionenstrahl beschossen. Dadurch lösen sich Atome
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und Moleküle, darunter auch einige Ionen, deren Masse sich dann durch die Beschleunigung im vorherrschenden elektrostatischen Feld mittels Flugzeitmassenspektrometrie nachweisen lässt.
Grafik @Forschungszentrum Jülich / T. Schlößer
Über das Forschungszentrum Jülich
Das Forschungszentrum Jülich leistet wirksame Beiträge zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Information, Energie und Bioökonomie. Es konzentriert sich auf die Zukunft der Informationstechnologien und -verarbeitung, komplexe Vorgänge im menschlichen Gehirn, den Wandel des Energiesystems und eine nachhaltige Bioökonomie. Das Forschungszentrum entwickelt die Simulations- und Datenwissenschaften als Schlüsselmethode der Forschung weiter und nutzt große, oft einzigartige wissenschaftliche Infrastrukturen. Dabei arbeitet es themen- und disziplinenübergreifend und nutzt Synergien zwischen den Forschungsgebieten..
(Quelle: Forschungszentrum Jülich)
www.fz-juelich.de
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