Photoelektronenspektrometer (XPS)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) werden Photoelektronen durch Bestrahlung mit Röntgenstrahlen aus der Oberfläche von festen Proben emittiert, welche aus einer Tiefe von 2-10 nm stammen. XPS ist daher eine strikt oberflächensensitive Methode. Neben einer Elementanalyse gestatten Detailscans von Kohlenstoff (C1s) und Stickstoff (N1s) die Kennzeichnung der Bindungstypen von C und N der Oberflächen-gebundener organischer Bodensubstanz. XPS eignet sich daher in idealer Weise zur Analyse von Grenzflächen im Boden sowie der darin ablaufenden Prozesse. Die Eigenschaften von Grenzflächen, insbesondere hinsichtlich ihrer Benetzbarkeit, sind von entscheidender Bedeutung für den Wasser- und Stofftransport, Sorptionsprozesse oder auch den Abbau organischer Bodensubstanz. Ein Ziel unserer XPS-Arbeiten war in diesem Zusammenhang ein Proxy zu identifizieren, welches unabhängig von Art und Herkunft des Bodens den Kontaktwinkel als Maß der Benetzbarkeit in Beziehung zur chemischen Zusammensetzung von Grenzflächen setzt. Verschiedene XPS-Studien an einer Reihe an Böden haben gezeigt, dass der C-Gehalt, insbesondere nicht-polare C- Spezies, eng mit dem Kontaktwinkel korreliert. Das mittels XPS gemessene O/C-Verhältnis steht hoch signifikant negativ mit dem Kontaktwinkel im Zusammenhang, so dass dieses einen universellen Parameter zur Kennzeichnung der Benetzungseigenschaften von Oberflächen im Boden darstellt. Veränderte Umweltbedingungen (z.B. steigende Temperatur) beeinflussen das O/C-Verhältnis auf den Oberflächen und mithin deren Benetzbarkeit. Ein zweiter Schwerpunkt unserer XPS-Arbeiten fußt auf der Aufklärung der Struktur von Organotonen. Hierbei wird XPS in Kombination mit MD Simulationen (Kooperation mit D. Tunega, BOKU) genutzt, um Veränderungen der externen Oberfläche von Tonen durch Sorption von organischen Kationen zu charakterisieren und Konformationsveränderungen als Funktion der zugegebenen grenzflächenaktiven Stoffe zu identifizieren. XPS-Surveyspektren zeigen sehr gut die veränderte Elementzusammensetzung auf der äußeren Tonmineraloberfläche infolge der Belegung mit organischen Kationen. Weiterhin ist in Kombination mit den MD-Simulationen aus den C1s-Spektren auf eine Monolagen-Belegung bei geringer Zugabe und auf eine gestörte zweilagige Anordnung bei hoher Zugabe der grenzflächenaktiven Stoffe zu schließen. Berechnete Veränderungen der Oberflächenordnung und der lokalen Umgebung der organischen Lagen werden sehr gut durch Verschiebungen der Bindungsenergien von C und N wiedergegeben. Unterschiedliche organische Kationen weisen desweiteren eine unterschiedliche Packungsdichte auf der Oberfläche auf, was Konsequenzen für die Stabilität der Organotone und somit deren Anwendbarkeit z.B. als Barrieren für Schadstoffe hat. In weiteren Studien wurde XPS zur Verbesserung des Verständnisses der Transformationsprozesse von organischer Substanz in Permafrostböden, der Bildung von Assoziationen von Eisen und organsicher Substanz über Sorption und Präzipitation und zur Mobilität von Nano-Silber im Boden eingesetzt. In diesen Studien kam XPS als ergänzende bzw. komplementäre Methode zum Einsatz. Gegenwärtig laufen XPS-Studien zur Erfassung der Elementzusammensetzung innerer und äußerer Aggregatoberflächen sowie der Analyse der assoziierten organischen Substanz mit dem Ziel der Aufklärung der Bedeutung unterschiedlicher aggregierender Substanzen für Bildung und Stabilität von Mikroaggregaten. XPS wird derzeit auch eingesetzt, um die sogenannte "Multilayer"-Theorie des Aufbaus Mineral-organischer Assoziationen zu testen. Hierbei wird überprüft, inwiefern Aminosäuren bzw. Proteine zur Konditionierung von Mineraloberflächen für die Sorption weiterer organischer Substanzen beitragen. Damit soll XPS weiterhin helfen, wesentliche Mechanismen der Stabilisierung organischer Bodensubstanz aufzuklären.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Effect of multivalent cations, temperature and aging on soil organic matter interfacial properties. Environmental Chemistry 11 (2014) 709-718
Diehl, D., Schneckenburger, T., Krüger, J., Goebel, M.-O., Woche, S.K., Schwarz, J., Shchegolikhina, A., Lang, F., Marschner, B., Thiele-Bruhn, S., Bachmann, J., Schaumann, G.E.
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Properties and reactivity of Fe-organic matter associations formed by coprecipitation versus adsorption: Clues from arsenate batch adsorption. Geochimca et Cosmochimica Acta 144 (2014) 258-276
Mikutta, R., Lorenz, D., Guggenberger, G., Haumaier, L., Freund, A.
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Retention of sterically and electrosterically stabilized silver nanoparticles in soils. Environmental Science and Technology 48 (2014) 12628-12635
Hoppe, M., Mikutta, R., Utermann, J., Duijnisveld, W., Guggenberger, G.
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Properties and bioavailability of particulate and mineral-associated organic matter in Arctic permafrost soils, Lower Kolyma Region, Russia. European Journal of Soil Science 66 (2015) 722-734
Gentsch, N., Mikutta, R., Shibistova,O., Wild, B., Schnecker, J., Richter, A., Urich, T., Gittel, A., Šantrůčková, H., Bárta, J., Lashchinskiy, N., Mueller, C.W., Fuß, R., Guggenberger, G.
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Surface structure of organoclays as examined by X-ray photoelectron spectroscopy and molecular dynamics simulations. Clay Minerals 50 (2015) 353-367
Schampera, B., Solc, R., Woche, S.K., Mikutta, R., Dultz, S., Guggenberger, G., Tunega, D.
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External surface structure of organoclays analysed by transmission electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy in combination with molecular dynamics simulations. Journal of Colloid and Interface Science 478 (2016) 188-200
Schampera, B., Tunega, D., Solc, R., Mikutta, R., Wirth, R., Dultz, S., Guggenberger, G.
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Water repellency and chemical soil properties in a beech forest subsoil - Spatial variability and interrelations. Geoderma 271 (2016) 50-62
Krueger, J., Böttcher, J., Schmunk, C., Bachmann, J.
