Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Chemie von Eisen in wässriger Lösung entschlüsselt

12.05.2016

Ein HZB-Team hat an der Synchrotronquelle BESSY II zwei unterschiedliche Methoden kombiniert, um mehr Informationen zur Chemie von Übergangsmetallverbindungen in Lösung zu gewinnen. Solche Verbindungen können als Katalysatoren in Energiematerialien gewünschte Reaktionen befördern, sind aber bislang noch nicht vollständig verstanden. Sie zeigten an einem einfachen Modellsystem aus Eisen in Wasser, wie sich aus dem systematischen Vergleich sämtlicher elektronischer Wechselwirkungsprozesse ein detailliertes Bild der elektronischen Zustände ermitteln lässt. Die Ergebnisse sind im Open Access Journal von Nature, den Scientific Reports, publiziert.

Wenn ein Blinder ein Elefantenbein betastet, findet er etwas über das Tier heraus. Und möglicherweise lautet sein Urteil: Ein Elefant ist wie eine Säule aufgebaut. Das nicht falsch, aber auch nicht die ganze Wahrheit. So ähnlich ist es mit Messmethoden: sie zeigen einen bestimmten Aspekt sehr gut, andere dagegen gar nicht.


Durch die Kombination von zwei unterschiedlichen Methoden (RIXS und Fluoreszenzspektroskopie) konnte das Team die elektronischen Zustände der Probe im Detail vermessen.

HZB/R. Golnak

Nun ist es einem Team um Professor Emad Aziz vom HZB-Institut „Methoden der Materialentwicklung“ gelungen, zwei verschiedene Methoden so zu kombinieren, dass sich daraus ein nahezu vollständiges Bild der elektronischen Zustände und Wechselwirkungen eines Moleküls in wässriger Lösung ergibt.

Einfaches Modellsystem

Als Modellsystem diente das Hexaaqua(II)-Kation ([Fe(H2O)6]2+). Es besteht aus einem Eisenzentrum mit sechs gleichmäßig angeordneten Wassermolekülen und ist bereits gut verstanden.

Eine Theoriegruppe um Oliver Kühn von der Universität Rostock konnte die elektronischen Zustände und ihre möglichen Anregungen in diesem System vorab berechnen, so dass sich die Aussagen aus den experimentellen Daten sehr gut überprüfen ließen.

Detailliertes Bild der elektronischen Zustände

„Weiche Röntgenstrahlung, wie sie schwerpunktmäßig an BESSY II erzeugt wird, eignet sich perfekt, um die so genannte L-Kante abzutasten“, erklärt Ronny Golnak, der die Experimente während seiner Promotion durchgeführt hat. Die L-Kante bezeichnet den Energiebereich, in dem die wichtigen elektronischen Zustände von Übergangsmetallen wie Eisen liegen: von den kernnahen Elektronen in den 1s- und 2p-Schalen bis zu den Valenzelektronen in den 3d-Schalen.

Mit Hilfe von Röntgenpulsen werden Elektronen von 2p-Schalen kurzzeitig auf höhere Niveaus angeregt. Diese Anregung kann über zwei unterschiedliche Wege abgebaut werden: entweder über die Abgabe von Licht (strahlende Relaxation), was sich mit Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie analysieren lässt - oder aber über die Emission von Elektronen (nichtstrahlende Relaxation), die sich mit Photoelektronen-/Augerelektronen-Spektroskopie vermessen lassen. Beide Analysemethoden sind erst seit wenigen Jahren dank der Mikrojet-Technik auch mit flüssigen Proben, bzw. Proben in Lösung durchführbar.

Informationen aus zwei Messmethoden kombiniert

Für den untersuchten Hexaaqua-Komplex wurden nun die Relaxationskanäle der angeregten 3d-Valenzorbitale im Zusammenspiel mit den stärker gebundenen 3p- und 3s-Orbitalen des Eisens analysiert. Durch die Kombination der Ergebnisse aus den strahlenden und nichtstrahlenden Relaxationsprozessen ließ sich ein vollständiges Bild der unbesetzten und besetzten Energieniveaus gewinnen.

Neue Einblicke in Prozesse an Katalysatoren und Energiematerialien

„Unsere Ergebnisse sind für die Interpretation von Röntgenspektren bedeutend und fördern das Verständnis von elektronischen Wechselwirkungen zwischen den gelösten Komplexen und dem umgebenden Lösungsmittel in katalytischen und funktionalen Materialien“, sagt HZB-Wissenschaftler Bernd Winter.

Und Emad Aziz erklärt: „Die Fachwelt war skeptisch, ob unser experimenteller Ansatz funktionieren wird. Das haben wir nun gezeigt. Natürlich werden wir diese Art von Messungen nun auch an weiteren Systemen durchführen, insbesondere an Katalysatoren, die in der physikalischen Chemie in Energiematerialien, aber auch in biologischen Prozessen eine Schlüsselrolle spielen.“

Zur Publikation in Scientific Reports 6, Article number: 24659 (2016) doi:10.1038/srep24659
Joint Analysis of Radiative and Non-Radiative Electronic Relaxation Upon X-ray Irradiation of Transition Metal Aqueous Solutions, Ronny Golnak, Sergey I. Bokarev, Robert Seidel, Jie Xiao, Gilbert Grell, Kaan Atak, Isaak Unger, Stephan Thürmer, Saadullah G. Aziz, Oliver Kühn, Bernd Winter & Emad F. Aziz

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Emad Aziz
E-Mail: emad.aziz@helmholtz-berlin.de

Dr. Bernd Winter
E-Mail: bernd.winter@helmholtz-berlin.de

Ronny Golnak
E-Mail: ronny.golnak@helmholtz-berlin.de

HZB Pressestelle
Dr. Antonia Rötger
E-Mail: antonia.roetger@helmholtz-berlin.de

Weitere Informationen:

http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14448&sprache=de&ty...
http://www.nature.com/articles/srep24659

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Entstanden Nervenzellen, um mit Mikroben zu sprechen?
10.07.2020 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Forscher der Universität Bayreuth entdecken außergewöhnliche Regeneration von Nervenzellen
09.07.2020 | Universität Bayreuth

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Elektrische Spannung aus Elektronenspin – Batterie der Zukunft?

Forschern der Technischen Universität Ilmenau ist es gelungen, sich den Eigendrehimpuls von Elektronen – den sogenannten Elektronenspin, kurz: Spin – zunutze zu machen, um elektrische Spannung zu erzeugen. Noch sind die gemessenen Spannungen winzig klein, doch hoffen die Wissenschaftler, auf der Basis ihrer Arbeiten hochleistungsfähige Batterien der Zukunft möglich zu machen. Die Forschungsarbeiten des Teams um Prof. Christian Cierpka und Prof. Jörg Schumacher vom Institut für Thermo- und Fluiddynamik wurden soeben im renommierten Journal Physical Review Applied veröffentlicht.

Laptop- und Handyspeicher der neuesten Generation nutzen Erkenntnisse eines der jüngsten Forschungsgebiete der Nanoelektronik: der Spintronik. Die heutige...

Im Focus: Neue Erkenntnisse über Flüssigkeiten, die ohne Widerstand fließen

Verlustfreie Stromleitung bei Raumtemperatur? Ein Material, das diese Eigenschaft aufweist, also bei Raumtemperatur supraleitend ist, könnte die Energieversorgung revolutionieren. Wissenschaftlern vom Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ an der Universität Hamburg ist es nun erstmals gelungen, starke Hinweise auf Suprafluidität in einer zweidimensionalen Gaswolke zu beobachten. Sie berichten im renommierten Magazin „Science“ über ihre Experimente, in denen zentrale Aspekte der Supraleitung in einem Modellsystem untersucht werden können.

Es gibt Dinge, die eigentlich nicht passieren sollten. So kann z. B. Wasser nicht durch die Glaswand von einem Glas in ein anderes fließen. Erstaunlicherweise...

Im Focus: The spin state story: Observation of the quantum spin liquid state in novel material

New insight into the spin behavior in an exotic state of matter puts us closer to next-generation spintronic devices

Aside from the deep understanding of the natural world that quantum physics theory offers, scientists worldwide are working tirelessly to bring forth a...

Im Focus: Im Takt der Atome: Göttinger Physiker nutzen Schwingungen von Atomen zur Kontrolle eines Phasenübergangs

Chemische Reaktionen mit kurzen Lichtblitzen filmen und steuern – dieses Ziel liegt dem Forschungsfeld der „Femtochemie“ zugrunde. Mit Hilfe mehrerer aufeinanderfolgender Laserpulse sollen dabei atomare Bindungen punktgenau angeregt und nach Wunsch aufgespalten werden. Bisher konnte dies für ausgewählte Moleküle realisiert werden. Forschern der Universität Göttingen und des Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie in Göttingen ist es nun gelungen, dieses Prinzip auf einen Festkörper zu übertragen und dessen Kristallstruktur an der Oberfläche zu kontrollieren. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Das Team um Jan Gerrit Horstmann und Prof. Dr. Claus Ropers bedampfte hierfür einen Silizium-Kristall mit einer hauchdünnen Lage Indium und kühlte den Kristall...

Im Focus: Neue Methode führt zehnmal schneller zum Corona-Testergebnis

Forschende der Universität Bielefeld stellen beschleunigtes Verfahren vor

Einen Test auf SARS-CoV-2 durchzuführen und auszuwerten dauert aktuell mehr als zwei Stunden – und so kann ein Labor pro Tag nur eine sehr begrenzte Zahl von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Intensiv- und Notfallmedizin: „Virtueller DIVI-Kongress ist ein Novum für 6.000 Teilnehmer“

08.07.2020 | Veranstaltungen

Größte nationale Tagung für Nuklearmedizin

07.07.2020 | Veranstaltungen

Corona-Apps gegen COVID-19: Nationalakademie Leopoldina veranstaltet internationales virtuelles Podiumsgespräch

07.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Erster Test für neues Roboter-Umweltmonitoring-System der TU Bergakademie Freiberg

10.07.2020 | Informationstechnologie

Binnenschifffahrt soll revolutioniert werden: Erst ferngesteuert, dann selbstfahrend

10.07.2020 | Verkehr Logistik

Robuste Hochleistungs-Datenspeicher durch magnetische Anisotropie

10.07.2020 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics