BESSY II gibt Einblick in die Oxidationsprozesse von Kupfer

Bevor sich stöchiometrisches Kupferoxid bildet, entstehen auf Kupferoberflächen komplexe Übergangsstrukturen aus Kupfer- und Sauerstoffatomen, wie die sogenannte „29“-Cu_xO-Superstruktur. Das genaue Verständnis dieser atomaren Zwischenzustände ist sowohl für die angewandte Katalyseforschung als auch für den langzeitigen Korrosionsschutz essenziell – etwa bei der Materialentwicklung von Kupferbehältern für die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle.
Während die makroskopische Korrosion von Kupfer, etwa die Bildung schützender Patina auf Dächern, bekannt ist, blieben die primären Oxidationsschritte im Mikrobereich lange unzureichend charakterisiert. Die Klärung dieser Mechanismen gewinnt durch die geplante Nutzung von Kupfer als Barrieredach für nukleare Brennelemente eine hohe praktische Relevanz.

Oberflächensensitive Spektroskopie an BESSY II

Die exakte Bestimmung der Oxidationsstufe von Kupfer in der „29“-Cu_xO-Superstruktur galt bisher als analytische Herausforderung. Standardmäßige spektroskopische Verfahren boten nicht die notwendige Oberflächensensitivität, um zwischen elementarem Kupfer und leicht oxidierten Grenzflächen zu differenzieren.
Einem Forschungsteam um Prof. Dr. Alexander Föhlisch gelang die präzise Charakterisierung nun mittels Auger-Photoelektronen-Koinzidenzspektroskopie (APECS) an der Synchrotronstrahlungsguelle BESSY II. Diese Methode erlaubt die orts- und zustandsspezifische Trennung chemischer Spezies in den obersten Atomlagen.

Nahezu metallischer Charakter trotz hoher Sauerstoffbelegung

Die Messungen offenbaren, dass sich die Kupferatome innerhalb der „29“-Oberflächenstruktur in einem überraschend niedrigen Oxidationszustand von etwa 0,3 befinden. Elektronisch ähnelt die Schicht somit eher metallischem Kupfer als definiertem Kupfer(I)-oxid (Cu₂O), ungeachtet der hohen lokal gebundenen Sauerstoffmenge.
„Das ist überraschend und wirklich bemerkenswert, denn die Sauerstoffkonzentration an den Oberflächen ist sehr hoch“, sagt Swarnshikha Sinha. „Wir haben zudem die Verteilung der Sauerstoffspezies identifiziert, aus denen das schützende Oberflächenoxid besteht“, betont sie. Die Ergebnisse belegen, dass die fundamentale Bedeckung mit Sauerstoff nicht linear mit dem formalen Oxidationszustand der Metallatome korreliert.

Implikationen für Katalyse und Materialwissenschaften

Diese fundamentalen Einsichten lassen sich direkt auf zwei Schlüsselbereiche übertragen: In der heterogenen Katalyse – beispielsweise bei der elektrochemischen CO₂-Reduktion, der Methanolsynthese oder Selektivoxidationen – bilden oft genau solche teiloxidierten Grenzflächen die katalytisch aktiven Zentren. Der nachgewiesene, nahezu metallische Charakter erklärt die spezifische Aktivität und Selektivität im Vergleich zu reinen Volumenoxiden und liefert Designprinzipien für maßgeschneiderte Katalysatoren.
Gleichzeitig dient der Befund dem vertieften mechanistischen Verständnis der initialen Korrosionskinetik, was eine verlässliche Langzeitprognose für den Einsatz von Kupferbehältern in Endlagern ermöglicht.

Interdisziplinäre Methodenkombination im UBjL

Die experimentellen Arbeiten wurden im Rahmen des Uppsala–Berlin Joint Laboratory (UBjL) an der UE52-PGM-Beamline (CoESCA-Endstation) von BESSY II durchgeführt. Ergänzt wurden die spektroskopischen Daten durch First-Principles-Quantenchemieberechnungen der Universität Stockholm.
„Unter dem Dach des Uppsala–Berlin Joint Laboratory (UBjL) konnten wir moderne Synchrotron-Spektroskopieverfahren bei BESSY II mit theoretischen Methoden kombinieren, um chemische Informationen zu gewinnen, die mit herkömmlichen Methoden nicht zugänglich sind“, sagt Föhlisch.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (09/2026)