Elektrochemisch aktive dynamische Zustände von Oxid-Grenzflächen
In situ Transmissionselektronenmikropie
Grenzflächen spielen eine zentrale Rolle bei elektrochemischen Umwandlungsprozessen, wie beispielsweise bei der elektrokatalytischen Wasserspaltung oder beim elektrischen Widerstandschalten für die Datenspeicherung. Dabei treten hochdynamische Nichtgleichgewichtszustände der Grenzflächen auf, in denen sich elektrischer Ladungstransfer, chemische Bindungsdynamik und defektchemische Prozesse verbinden. Neben der Untersuchung des elektrochemischen Gleichgewichts mittels hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erlauben uns in situ TEM Methoden eine Untersuchung der dynamischen Grenzflächenzustände während eines elektro- oder photochemischen Prozesses. Eine einzigartige Möglichkeit bietet hierzu das Göttinger Environmental TEM (ETEM), an dem in operando Untersuchungen in reaktiven Gasen oder Wasser durchgeführt werden. Diese einzigartige Forschung auf atomarer Skala wird durch komplementäre makroskopische Messmethoden, z.B. durch quantitative Messung elektrochemischer Prozesse mittels rotierender Ring-Disk Elektroden ergänzt.


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Schematische Darstellung eines in situ TEM-Experiments: Durch eine STM-Spitze wird ein Potential an die Probe angelegt, welches durch den einfallenden Elektronenstrahl modifiziert wird. Der Wasserpartialdruck ermöglicht die elektrochemische Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Die mit der Katalyse verbundenen Änderungen der Kristall- und Defektstruktur, der chemischen Zusammensetzung sowie der Valenzen können in situ beobachtet werden. Rechts: Atomar aufgelöste Abbildung einer Manganatoberfläche in Kontakt mit Wassergas. Die Filmsequenz zeigt die höchst dynamischen Veränderungen der Atomanordnung während katalytischer Prozesse. (Bilder: Daniel Mierwaldt, Vladimir Roddatis)

Aktuelles Forschungsvorhaben:
“In situ atomic scale study of active states during photoelectrochemical water splitting” im Rahmen des von der DFG geförderten Sonderforschungsbereichs 1073, Teilprojekt C02. Kooperationspartner ist dabei die AG Techert (MPI für Biophysikalische Chemie, Göttingen).
„In situ environmental TEM studies of electro- and photo-electrochemical systems for water splitting“ im Rahmen des von der DFG geförderten Schwerpunktprogramms SPP 1613/2. Kooperationspartner sind dabei verschiedene im Schwerpunktprogramm beteiligte Gruppen.


Aktuelle Veröffentlichungen:

· T. Kramer, M. Scherff, D. Mierwaldt, J. Hoffmann, C. Jooss, Role of oxygen vacancies for resistive switching in noble metal sandwiched Pr0.67Ca0.33MnO3-d; Appl. Phys. Lett. 110 (2017) 243502

· S. Mildner M. Beleggia, D. Mierwaldt Th. W. Hansen, J. B. Wagner, S. Yazdi, T. Kasama, J. Ciston, Y. Zhu, and Ch. Jooss, Environmental TEM Study of Electron Beam Induced Electro-chemistry of Pr0.64Ca0.36MnO3Catalysts for Oxygen Evolution; J. Phys. Chem. C 119 (2015) 5301.

· J. Norpoth, S. Mildner, M. Scherff, J. Hoffmann, and Ch. Jooss, In situ TEM analysis of resistive switching in manganite based thin-film heterostructures; Nanoscale 6 (2014) 9852.