Neue experimentelle Ansätze für quadrupolare NMR-Spektroskopie verstärkt durch DNP bei sehr hohem Magnetfeld

• Antragstellerin: Dr. Monu Kaushik, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426792711

NMR-Spektroskopie ist, wann immer möglich, die Methode der Wahl für die Charakterisierung von Oberflächen auf atomarer Ebene. Die Sensitivität der NMR ist jedoch für die Untersuchung vieler moderner Materialien deutlich zu niedrig. Aufgrund der erheblichen Signalverstärkung entwickelt sich die NMR-Spektroskopie mit Dynamischer Kernpolarization (Dynamic Nuclear Polarization, DNP) aktuell zu einem einzigartigen analytischen Werkzeug zur Untersuchung von Proben, die vorher für die NMR nicht zugänglich waren. Insbesondere die selektive Verstärkung von NMR-Signalen an der Oberfläche von Materialien (DNP Surface Enhanced NMR Spectroscopy, DNP SENS). liefert bemerkenswerte Signalverstärkungsfaktoren von aktuell bis zu 250 bei mittlerem Magnetfeld (9,4 T, 400 MHz Protonen-Resonanzfrequenz) und führt so zu einer erheblichen Verkürzung der Messzeiten, was die vollständige Charakterisierung von Oberflächenspezies ermöglicht. Die große Mehrheit von NMR-aktiven Isotopen unterliegt quadrupolaren Wechselwirkungen. Bei der Untersuchung von Materialien mit Quadrupolkernen steigen Auflösung und Empfindlichkeit mit dem Quadrat des verwendeten Magnetfelds an. Die meisten modernen DNP NMR-Experimente beruhen jedoch auf einem Polarisationstransfer-Mechansimus, dessen Effizienz sowohl mit steigendem Magnetfeld als auch mit schnellerer Probenrotation um den magischen Winkel (magic angle spinning, MAS) abnimmt. So wird bei 18,8 T oft eine Verringerung der Verstärkungsfaktoren von mehr als einem Faktor zehn beobachtet, und zufriedenstellende DNP-Verstärkungsfaktoren auf Oberflächen sind nur schwer erreichbar. Möglichkeiten für Oberflächen-DNP-verstärkte NMR an Quadrupolkernen bei hohem Magnetfeld und schneller MAS sollen ausgelotet werden. Das Projekt wird so zur Lösung aktueller Fragestellungen in der Oberflächenanalytik und in der Materialwissenschaft beitragen. In der Forschung auf dem Gebiet der heterogenen Katalyse ist die Struktur der spektroskopisch schwer nachweisbaren, aber katalytisch wichtigen hochreaktiven 27Al Oberflächenspezies Teil aktueller Diskussionen. Die während des Projekts entwickelten Probenformulierungen und NMR-Methoden werden daher auf die Charakterisierung von amorphen Silika-Alumina-Materialien angewendet, da solche Strukturdetails von Materialoberflächen auf atomarer Ebene mit anderen Methoden kaum zugänglich sind.Am Ende dieses Projekts sollen innovative NMR-spektroskopische Methoden stehen, die eine nie dagewesene Empfindlichkeit und Auflösung von molekularen Oberflächenstrukturen liefern. Das Projekt wird ermöglicht von der einzigartigen instrumentellen Ausstattung für DNP NMR bei 18,8 T in Lyon sowie einem Netzwerk renommierter Arbeitsgruppen in der Festkörper-NMR und den Materialwissenschaften. Es wird die Anwendungsmöglichkeiten der NMR-Spektroskopie erweitern und direkt zu neuen Erkenntnissen in der heterogenen Katalyse führen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Gastgeberin: Privatdozentin Dr. Anne Lesage, Ph.D.