Wie Metall gebildet: Elektrolyte wird metallic

Das Team dann diese Flüssigkeitsstrahlen mit weichen Röntgenstrahlen bei BESSY II untersucht und anschließend konnte diesen Prozess im Detail von den Daten analysieren, sie mit den theoretischen Vorhersagen kombiniert erworben. Die Arbeit wurde in Science veröffentlicht.

Was unterscheidet Metalle aus anderen Materialien ist im Allgemeinen gut verstanden. In einem Metall, bewegen sich einige der Atome äußeren Elektronen durch das Kristallgitter in dem, was ein Leitungsband genannt wird. Dies ist, wie Metalle elektrischen Strom leiten. Im Gegensatz zu Metallen werden die Ionen in Elektrolyten ungeordnete und die elektrische Leitfähigkeit nimmt selbst bei Ionenkonzentration erhöhen. Wie funktioniert entsteht metallisches Verhalten aus den vielen einzelnen Metallatom in dem Elektrolyten gelöst? Bei welcher Konzentration und genau wie funktioniert ein Leitungsband bilden, und wie die Elektronenbahnen während dieses Prozesses verhalten?

Eine große internationale Zusammenarbeit hat nun eine anspruchsvolle experimentelle Technik entwickelt, die es möglich, zu beobachten, diese Prozesse zum ersten Mal macht. 17 Autoren an Instituten in Kyoto, Los Angeles, Paris, Prag und Berlin haben ihr Know-how beigetragen.

Einer der wichtigsten Autoren ist Dr. Bernd Winter vom Fritz-Haber-Institut Berlin, der das Experiment bei BESSY II zusammen mit Dr. Robert Seidel, Leiter des HZB Operando Grenzflächen- Photo Young Investigator Group und sein Team aufgebaut. Als ein erster Schritt, die Physiker gelöst Alkalimetalle wie Lithium und Natrium in Ammoniak bildende Lösungen. Die Metallatome werden positiv geladene Ionen und ihre äußeren Elektronen werden in das flüssige Ammoniak-Lösung gezogen. Diese Lösungen sind leicht blau bei niedrigeren Metallkonzentrationen, aber da die Metallkonzentration erhöht wird, die blaue Farbe wird intensiver, bis es zu einem goldenen Farbton übergeht. Diese überraschenden Farbwechsel der Elektronenzustände in den gelösten Metallen verwendet ist, nahmen die Wissenschaftler.

Unter Verwendung das SOL³PES Instrumentes am BESSY II U49 / 2-PGM-1 beamline dass Seidel beaufsichtigt, das Team unterschiedliche Konzentrationen der Alkalimetall / Ammoniak-Lösungen zu untersuchen war in der Lage als äußerst Flüssigkeitsstrahlen unter Ultrahochvakuum mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie verengen. Die Lösungen werden mußten, gekühlt auf etwa -60 Grad Celsius. Bei dieser Temperatur wird Ammoniak eine Flüssigkeit und seine Verdampfung ausreichend niedrig ist. Dies ermöglichte es ihnen, tatsächlich genau den Übergang von Elektrolyt zu Metall zu messen.

„Wir konnten zum ersten Mal die Photoelektron Signal der überschüssigen Elektronen in flüssigem Ammoniak zu erfassen. Wir beobachteten einen schmalen Peak bei etwa 2 Elektronenvolt (eV), die das Vorhandensein von gelösten Elektronen und dielectrons zeigt“, sagt Winter. Seidel fügt hinzu: „Das erklärt auch, warum die Lösung zunächst blau bei niedrigeren und mittleren Konzentrationen von Metallionen ist. Die Lösung Licht absorbiert im roten Bereich, der der Peak bei 2 eV“ Als Ergebnis erscheint die Lösung leicht blau, solange es nur einzelne gelöste Elektronen. Diese blaue Farbe verstärkt mit dem Erscheinen der ersten „Elektronenpaar“ - genannt dielectrons. Die Farbe wechselt zu golden wie die Alkalimetallkonzentration steigt. Zur gleichen Zeit, diese schmale Absorptionsspitze verbreitert sich in ein Band mit einer scharfen Kante in dem Fermi-Spektrum, wie es charakteristisch für Metalle ist, begleitet und durch Signale mit kollektiven Anregungen (Plasmonen) zugeordnet ist, die charakteristisch für freie metallische Elektronen.

„Die Gruppen von den Theoretikern Pavel und Jungwirth Ondrej Marsalek in Prag leitete der Lage gewesen, die elektronische Struktur von solvatisierten Elektronen in Lösung im Voraus zu modellieren“, sagt Winter. „Wir stellten fest, dass die Bindungsenergien sie es für richtig berechnet sehr gut mit unseren experimentell ermittelten Werten. Das gab uns Vertrauen in unsere Interpretation der Röntgendaten.“

Die Arbeiten werden in Science veröffentlicht, da er einen wichtigen Beitrag zum grundlegenden Verständnis des Übergangs von einem nichtleitend zu metallischem Charakter in Elektrolyten macht. Darüber hinaus gibt es auch praktische Anwendungen der solvatisierten Elektronen, d.h Elektronen in Lösung, in der organischen Chemie als Mittel für aromatische Systeme, in Batterie eletrolytes und elektronische Kondensatoren reduzieren.

Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. "How metal is formed: Electrolytes becoming metallic." ScienceDaily. ScienceDaily, 5 June 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200605105354.htm>.