Der Einfluss von gelösten Ionen auf die Hydratationsschichten an der Fest-Flüssig-Grenzfläche von Carbonaten

• Antragstellerin: Professorin Dr. Angelika Kühnle
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 312143056

In vielen, sehr unterschiedlichen Bereichen - zum Beispiel der Geochemie, den Umweltwissenschaften, der chemischen Katalyse oder dem Korrosionsschutz - werden die Eigenschaften eines Systems durch chemische Prozesse an der Fest-Flüssig-Grenzfläche bestimmt. In der überwiegenden Zahl dieser Systeme ist eine wässrige Elektrolytlösung das entscheidende Lösungsmittel. Ohne eine präzise Kenntnis der Zusammensetzung der Festkörperoberfläche und der Struktur des Wassers über der Oberfläche ist ein Verständnis der Grenzflächenchemie undenkbar. Es ist bekannt, dass sich die Struktur der Wassermoleküle an einer Grenzfläche von der Anordnung im übrigen Lösungsmittelvolumen unterscheidet. Die genaue, systemspezifische Struktur der Wassermoleküle in den Hydratationsschichten ist jedoch in der Regel unbekannt. Mit der Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie ist nun die Möglichkeit gegeben, die Struktur der Grenzfläche im Realraum zu vermessen. Erst seit Kurzem ist es möglich, sowohl die Oberfläche als auch die darauf adsorbierten Wasserschichten mit molekularer Auflösung abzubilden. In diesem Projekt sollen vier verschiedene Grenzflächen mit einem eigens für dreidimensionale Abbildung optimierten Rasterkraftmikroskop untersucht werden. Der Fokus soll auf den in der Erdkruste prominent vertretenen Mineralien Calcit, Dolomit und Magnesit liegen. Diese Mineralien sind nicht nur für eine große Zahl von natürlichen und industriellen Prozessen von größter Bedeutung, sondern sie stellen auch ein ideales Modellsystem zur Untersuchung von Hydratationsschichten dar, weil sich ihre Oberflächeneinheitszelle jeweils nur leicht, aber systematisch voneinander unterscheidet. Als ein viertes System soll Calciumfluorid untersucht werden, das einen Vergleich mit einer chemisch und strukturell verschiedenen Grenzfläche erlaubt. Darüber hinaus existiert von diesem Mineral eine Vielzahl an spektroskopischen Untersuchungen der Hydratationsschichten, so dass zur Interpretation der Daten komplementäre Informationen vorliegen. Die Anwesenheit von gelösten Ionen beeinflusst die Ausbildung der Wasserschichten an der Grenzfläche. Die genaue Veränderung ist allerdings sehr systemspezifisch und im Allgemeinen unbekannt. In diesem Projekt soll daher der Einfluss der Konzentration (Ionenstärke) und der chemischen Natur der Ionen (monovalent, divalent; unterschiedliche Ionenradien und Polarisierbarkeiten) auf die Struktur der Wasserschichten an den vier Grenzflächen untersucht werden. Das Projekt wird daher eine umfassende Charakterisierung der Grenzfläche ermöglichen und direkten Einblick geben in die lokale Struktur der Oberfläche, der Hydratationsschichten sowie der zugefügten Ionen. Diese experimentellen Informationen werden im Zusammenspiel mit theoretischen molekulardynamischen Simulationen zu einem tieferen Verständnis der grenzflächenchemischen Prozesse führen, um langfristig auch verlässliche Modelle und Vorhersagen zu erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Finnland, Japan
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Ellen Backus; Professor Dr. Adam Stuart Foster; Professor Dr. Hiroshi Onishi
• Mitverantwortlich: Dr. Ralf Bechstein