Raman Spektroskopie
Unsere Gruppe nutzt Raman-Spektroskopie für die Erforschung von Energiematerialien wie Batterieelektroden oder Elektrokatalysatoren. Die Raman-Spektroskopie untersucht die Schwingung von Molekülen und Gittern und liefert somit hauptsächlich qualitative chemische Informationen, kann aber auch für quantitative Analysen verwendet werden. Aufgrund der Flexibilität moderner Raman-Spektrometer ist die Technik prädestiniert für die in operando-Forschung, also die Untersuchung von Materialveränderungen während des Betriebs einer Batterie oder Elektrolysezelle. Darüber hinaus wird ein Raman-Spektrometer häufig mit einem Lichtmikroskop gekoppelt, was das Scannen von Energiematerialien ermöglicht, um beispielsweise Probeninhomogenitäten vor und nach dem Betrieb zu identifizieren.
Angesichts moderner Geräte ist die Raman-Spektroskopie eine immer beliebter werdende Methode zur qualitativen und quantitativen Analyse einer Vielzahl von Materialien, insbesondere aber von Elektrokatalysatoren und Elektrodenkomponenten. Die Raman-Technik untersucht die Schwingung von Molekülen und Gittern, indem sie den sogenannten Raman-Effekt ausnutzt, der auch als inelastische Lichtstreuung bekannt ist. Die Grundidee besteht darin, dass ein Laser auf eine Probe gerichtet wird, der deren Atome und Moleküle zu Schwingungen mit einer bestimmten Energie anregt. Diese Energie ist spezifisch für ein bestimmtes Molekül oder einen bestimmten Kristall und kann zur Identifizierung und Unterscheidung verschiedener chemischer Materialien verwendet werden. Das Raman-Spektrometer ermittelt diese Energie, indem es die Energie des Lasers vor und nach dem Auftreffen auf die Probe vergleicht.
Unsere Raman-Spektrometer werden auch mit Lichtmikroskopen kombiniert, die den chemischen Daten räumliche Informationen hinzufügen. Dies ermöglicht das Scannen von Oberflächen wie Elektroden vor und nach dem Betrieb (sog. „Post-Test“), da verschiedene elektrochemische Prozesse das Material inhomogen verändern können. Das Ziel solcher Post-Test-Studien besteht darin, zu untersuchen, wie sich die Komponenten einer elektrochemischen Zelle während des Betriebs verändern oder abbauen, um Schwachstellen zu identifizieren und zu beseitigen, was letztendlich zu Batterien oder Elektrolyseuren mit einer längeren Lebensdauer führt.
Ein Forschungsbeispiel ist die Untersuchung von Gasdiffusionselektroden nach dem Test, die für die elektrochemische Reduktion (d. h. Recycling) von Kohlendioxid verwendet werden (doi: 10.1149/1945-7111/ab8ce1). Hier verfärbte sich die aus Silber und PTFE-Binder bestehende Elektrode nach dem Betrieb schwarz und auf ihrer Oberfläche wurden starke Kohlenstoff-Raman-Signale festgestellt. Auf den ersten Blick wurde vermutet, dass der PTFE-Binder im Betrieb zu elementarem Kohlenstoff zerfällt, was letztlich zum Ausfall der Elektrolysezelle führen würde. Bei näherer Betrachtung stellte sich jedoch heraus, dass dies nicht der Fall war und stattdessen eine elektrochemische Aufrauhung der Silberelektrode stattfand. Eine solch raue Silberoberfläche kann durch den SERS-Effekt (Surface Enhanced Raman Scattering) eine dramatische Verstärkung kleiner chemischer Spuren wie Kohlenstoff bewirken. Daher wurde kein PTFE abgebaut, sondern die Struktur der Silberelektrodenoberfläche wurde während der Elektrolyse verändert.
Ein großer Vorteil der Raman-Spektroskopie besteht darin, dass sie nur eine minimale Probenvorbereitung erfordert. So lassen sich Batterie- oder andere elektrochemische Zellen vergleichsweise unkompliziert untersuchen, indem man ein Glasfenster in den Zellaufbau einbaut. Die Untersuchung einer Zelle während der Entlade- und Ladezyklen, also während des Betriebs, wird als „in-operando“-Technik bezeichnet. Insbesondere die Raman-Spektroskopie von Lithium-Ionen-Batterien enthüllt zahlreiche Details über den Transport von Lithium-Kationen zwischen Anode und Kathode. Bei der üblichen Graphitanode werden Lithiumionen in das Graphitgitter „eingelagert“, das heißt, sie werden zwischen Schichten aus hexagonalem Kohlenstoffgitter eingefügt. Mithilfe der Raman-Spektroskopie kann dieser Interkalationsprozess verfolgt und sogar festgestellt werden, wie viele Schichten dieser Kohlenstoffschichten sich zwischen diesen eingefügten Lithiumionen befinden. In einer unserer Forschungsstudien (doi: 10.1002/elsa.202100068) wollten wir neue Informationen aus den resultierenden in operando-Raman-Spektren gewinnen, indem wir nicht nur Höhe und Position der Peaks, sondern auch ihre Breite und Form analysierten. Dieser detaillierte Blick lieferte Einblicke in die Art und Reihenfolge, in der Lithiumionen in das Graphitgitter eingefügt werden, was die Synthese neuer, langlebigerer Materialien ermöglichen könnte.
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Letzte Änderung: 17.02.2025