Nukleations- und Kristallisationskontrolle von Al(III)(oxy)(hydr)oxiden: Zugang zu fortschrittlichen Materialien
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aluminium im Oxidationszustand +3, Al(III), ist von großer Bedeutung. Es kommt häufig in Mineralien vor und hat potenzielle ökologische und umweltrelevante Auswirkungen. Es ist wichtig für verschiedenste industrielle Anwendungen, wie z.B. in der Wasseraufbereitung, und kann gewissen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben. Zudem liegt es im Fokus chemischer Forschung, da es reaktiv ist und neue Materialien ermöglichen kann. In diesem Projekt haben wir die Frühphasen der Bildung von Al(III)(oxy)(hydr)oxiden in Anwesenheit von organischen Modell-Additiven untersucht: Fumar-, Polyacryl-, Polyasparagin-, Polyglutamin- und Ellagsäure. Diese Stoffe kommen in natürlichen und physiologischen Umgebungen vor und sind wichtig für die Synthese hybrider Metall-organischer Materialien. Sie besitzen vielseitige chemische Funktionen zur Interaktion mit Al(III)-Spezies. Die untersuchten Additive und weitere im Projekt verwendete Chemikalien sind ungiftig und umweltverträglich. Das Projekt ist somit relevant für alle Aspekte der wässrigen Chemie von Al(III): Das Verhalten von Al(III)-Spezies in Böden und Gewässern, ihre Interaktion mit organischer Materie, die Synthese neuartiger katalytischer Materialien auf Aluminiumbasis, Al(III)-basierte Medikamentenzusätze in der Pharmakologie, die Interaktion von Al(III) mit physiologisch wichtigen Molekülen oder die Synthese neuer hybrider Materialien. Obwohl die Wechselwirkungen von Al(III) mit organischen Verbindungen intensiv erforscht sind, wurden neuere Mechanismen der Keimbildung und Kristallisation von Al(III)(oxy)(hydroxiden) bislang nicht berücksichtigt. Besonders die Theorie der sogenannten nicht-klassischen Keimbildung (Pränukleationscluster) wurde vernachlässigt. Dies führt zu einem Verständnisdefizit im Zusammenhang mit Additivkontrollierter Feststoffbildung. Der Prozess, der das chemische Verhalten in wässrigen Lösungen bestimmt, ist die Hydrolyse von Al(III); sie findet in einem sehr engen pH-Bereich von etwa 4-6 statt, was die Chemie extrem komplex macht. Zur Lösung dieses Problems haben wir fortschrittliche potentiometrische Titrationstechniken entwickelt. So haben wir das Hydrolyseverhalten von Al(III) und die Interaktionen mit den genannten Additiven bei geringer Übersättigung über einen breiten pH-Bereich untersucht, von sauer bis neutral. Durch präzise eingestellte chemische Zustände konnten wir die Hydrolyse anpassen und die Wechselwirkungen systematisch erkunden. Eine Vielzahl von Methoden wurde zur Charakterisierung nicht allein der resultierenden Feststoffe eingesetzt (Elektronenmikroskopie, Thermoanalyse, Infrarotspektroskopie, isotherme Titrationskalorimetrie, usw.). Insgesamt haben wir optimierte Ansätze zur Untersuchung der Al(III)-Additiv-Interaktionen und zur Bestimmung entsprechender thermodynamischer Parameter entwickelt. Die Ergebnisse liefern Einblicke von großem grundlegendem Wert, die z.B. in der zielgerichteten Materialentwicklung genutzt werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Homogeneous nucleation in the Al(II) system in the presence of organic additives; Understanding crystallization: Faraday Discussions, 28-30 March 2022, York, United Kingdom (poster presentation, Book of abstracts, P10)
Miodrag J. Lukic & Denis Gebauer
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Nucleation of the Al(III)-(oxy)(hydr)oxides in the presence of polyamino acids; 9th Granada-Münster Discussion Meeting, 30 November – 02 December 2022, Granada, Spain (oral presentation)
Miodrag J. Lukic & Denis Gebauer
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Role of Water during the Early Stages of Iron Oxyhydroxide Formation by a Bacterial Iron Nucleator. The Journal of Physical Chemistry Letters, 15(4), 1048-1055.
Qi, Daizong; Lukić, Miodrag J.; Lu, Hao; Gebauer, Denis & Bonn, Mischa
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The Chemistry of Phase Separation in Aqueous Hydrolyzing Metal Systems: Aluminium(III) and Iron(III). Topics in Applied Physics, 45-78. Springer Nature Singapore.
Lukić, Miodrag J. & Gebauer, Denis
