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Jul 01, 2023

Engel Garcia

Garcia-Esparzas Forschung bietet einzigartige Einblicke in Katalysatoren, die für die Erzeugung erneuerbarer Energien und neue Materialien für die Mikroelektronik relevant sind. Von Chris Patrick Einen Katalysator analysieren, während er existiert

Garcia-Esparzas Forschung bietet einzigartige Einblicke in Katalysatoren, die für die Erzeugung erneuerbarer Energien und neue Materialien für die Mikroelektronik relevant sind.

Von Chris Patrick

Einen Katalysator zu analysieren, während er seine Aufgabe in einer chemischen Reaktion erfüllt, ist keine leichte Aufgabe. Stattdessen verlassen sich Forscher oft auf „Post-Mortem“-Analysen, bei denen sie den Katalysator vor und nach einer Reaktion vergleichen und zusammensetzen, was mit ihm passiert ist.

Angel Garcia-Esparza hingegen nutzt Röntgenstrahlen, die von der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) im SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums erzeugt werden, um zu überwachen, wie sich Katalysatoren und Energiematerialien bei chemischen Reaktionen in verschiedenen Umgebungen verhalten, beispielsweise bei erneuerbaren Energien Konvertierungstechnologien und die Entwicklung der Mikroelektronik der nächsten Generation.

Seine Arbeit brachte ihm den Spicer Young Investigator Award 2023 der SSRL ein. Er ist angenehm überrascht, sich der Gesellschaft früherer Gewinner anzuschließen.

„Ich habe die Liste der vorherigen Gewinner gelesen und festgestellt, dass es sich um großartige, fleißige Menschen handelt. Ich bin mit der Qualität der Wissenschaft am SLAC vertraut. Für SSRL-SLAC ist es einfach eine Ehre, unsere Arbeit anzuerkennen“, sagte Garcia-Esparza, Projektwissenschaftlerin bei SSRL.

Aber er weist auch schnell darauf hin, dass seine Arbeit, die die Durchführung komplizierter Experimente an den SSRL-Endstationen und die Entwicklung theoretischer Rahmenwerke zur Interpretation beispielloser Daten umfasst, nur in enger Zusammenarbeit mit seiner Community am SLAC möglich ist.

„Es ist wie eine Symphonie“, sagte er. „Jeder hilft einander und trägt seinen Teil dazu bei, dass das Ganze harmonisch funktioniert. Mein Name steht auf der Auszeichnung, aber es ist ein Dank an SLAC und insbesondere an unsere Gruppe bei SSRL.“

Angel Garcia-Esparza (Jacqueline Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory)

Garcia-Esparzas besonderes Interesse gilt der Entwicklung und Charakterisierung von Katalysatoren für erneuerbare Energien. Insbesondere Elektrokatalysatoren unterstützen eine chemische Reaktion, die als Wasserspaltung bekannt ist. Dabei wird mit einer Form erneuerbarer Energie, sei es Sonne, Wind oder Wasser, erzeugter Strom verwendet, um Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Der Wasserstoff kann dann gespeichert und als fossilfreie Energieform genutzt werden.

„Elektrokatalysatoren sind der Schlüssel zur Entwicklung einer Wirtschaft für erneuerbare Energien, nicht nur in den USA, sondern weltweit“, sagte Garcia-Esparza.

Platin ist ein solcher Elektrokatalysator. Dieser Katalysator wird auch in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt. Für jede dieser Anwendungen benötigen Forscher Platin, um unabhängig von den Bedingungen über lange Zeiträume stabil zu bleiben.

Während die katalytische Leistung von Platin unter sauren Bedingungen ausführlich dokumentiert wurde, waren die Studien unter alkalischen Bedingungen weitaus weniger umfassend. Mithilfe der Röntgenabsorptionsspektroskopie am SSRL zeigten Garcia-Esparza und seine Kollegen, wie Platin unter alkalischen Bedingungen schneller abgebaut wird.

„Er befasste sich mit einer Wissenslücke beim Verständnis der Abbaumechanismen in sauren und basischen Umgebungen“, schrieb Dimosthenis Sokaras in Garcia-Esparzas Nominierungsschreiben. Sokaras, ein leitender Wissenschaftler am SSRL, nominierte Garcia-Esparza für „sein Engagement, seinen innovativen Ansatz und seine Forschung“.

Seine Erkenntnisse werden Forschern dabei helfen, effizientere und langlebigere Katalysatoren für die Energieumwandlung zu entwickeln, gehen jedoch über Platin hinaus.

Garcia-Esparza wird außerdem für seine Studie über den Abbau eines anderen Materials, zweidimensionales Molybdändisulfid, im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts zwischen Xiaolin Zheng von der Stanford University und Sokaras ausgezeichnet, das vom Precourt Institute of Energy finanziert wurde. Die Verwendung dieses atomar dünnen Materials würde es der Mikroelektronik ermöglichen, die aktuellen Größenbeschränkungen zu überschreiten, aber es gibt einfach nicht genug Substanz in einer einzelnen Schicht einer 2D-Molybdändisulfidprobe, um sie mit aktuellen Röntgenmethoden zu untersuchen.

Um dieses Problem zu lösen, half Garcia-Esparza bei der Entwicklung und Optimierung eines neuen Instruments, das dieses superdünne oder verdünnte Material erstmals mit Röntgenabsorptionsspektroskopie unter Reaktionsbedingungen messen konnte.

„Wir konnten die wunderschönen Spektren dieser atomar dünnen Materialien einfangen, was an sich schon eine sehr schwierige Herausforderung war“, sagte er über diesen Durchbruch.

Nachdem Garcia-Esparza und seine Kollegen bewiesen hatten, dass sie die Spektren einer einzelnen Schicht aus 2D-Molybdändisulfid erhalten konnten, ermittelten sie, wie sich die Zugabe von Sauerstoff oder Wasserstoffgas auf die Proben bei verschiedenen Temperaturen auswirkte. Selbst bei niedrigen Sauerstoffwerten stellte Garcia-Esparza fest, dass das Material aufgrund von Spuren von Oxidspezies in der Probe schneller oxidierte als erwartet. Das vorherige Entfernen der Verunreinigungen aus dem Molybdändisulfid führte zu stabileren Proben bei höheren Temperaturen, was darauf hindeutet, dass künftige Geräte auf Basis dieses Materials frei von Oxiden sein müssen, um eine schnelle Verschlechterung der Mikroelektronik zu verhindern.

Garcia-Esparza zeigte auch, wie Wasserstoffgas Schwefelatome aus dem 2D-Molybdändisulfid entfernt und so seine elektronischen Eigenschaften effektiv abstimmt.

„Wir haben den Bildungsmechanismus der Schwefelfehlstelle in Molybdändisulfid aufgeklärt und seine atomare Strukturidentität beschrieben, die für die Optimierung ihrer Anwendung in elektronischen, optischen und katalytischen Systemen von entscheidender Bedeutung ist“, sagte Garcia-Esparza.

Er berichtete auch in ACS Nano und Advanced Science über die elektrochemische Charakterisierung dieser Schwefelfehlstellen, die aktive katalytische Zentren für die Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung sind.

"DR. „Angel T. Garcia-Esparza hat die einzigartigen Vorteile der fortschrittlichen Röntgenspektroskopie am SSRL für die Durchführung von Operando-Charakterisierungen von Energiematerialien unter realen Reaktionsbedingungen kontinuierlich hervorgehoben“, schrieb Sokaras, der auch Garcia-Esparzas Teamgeist und Mentoring-Bemühungen hervorhob die SSRL-Community.

Der Spicer Award wird Garcia-Esparza während des jährlichen SSRL/LCLS-Benutzertreffens und der Workshops 2023 im SLAC verliehen, das vom 25. bis 29. September stattfindet. Der Preis ist zu Ehren des verstorbenen William Spicer, Mitbegründer der späteren SSRL, und seiner Frau Diane benannt.

SSRL ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science.

Bei Fragen oder Kommentaren wenden Sie sich bitte an das SLAC Office of Communications unter [email protected].

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