Bildung und Eigenschaften mineral-organischer Grenzflächen in Böden - Einblicke mittels Photoelektronenspektroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Robert Mikutta
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392159791

Mineral-organische Grenzflächen in Böden repräsentieren mit organischer Substanz angereicherte Übergangszonen zwischen Mineraloberflächen und Porenräumen. Viele Bodenprozesse wie etwa Adsorptions- und Desorptionsreaktionen finden an mineral-organischen Grenzflächen statt und werden von deren physikochemischen Eigenschaften maßgeblich beeinflusst. Vor einem Jahrzehnt schlugen Kleber et al. (Biogeochemistry 2007, 85, 9-24) das sogenannte ´Multilayer´-Modell vor, welches eine Zonierung organischer Beläge auf Mineraloberflächen bestehend aus einer inneren Kontaktzone, einer Zone hydrophober Wechselwirkungen und einer äußeren Kinetikzone mit jeweils chemisch unterschiedlichen organischen Bestandteilen unterstellt (´chemische Zonierung´). Obgleich dieses Modell gegenwärtig als Stand des Wissens über den Aufbau mineral-organischer Assoziationen angesehen wird, wurde es bislang keiner experimentellen Validierung unterzogen. Das vorliegende Projekt strebt an, die chemische Zonierung sorbierter natürlicher organischer Substanzen auf Mineraloberflächen experimentell zu überprüfen. Dabei werden sowohl die Morphologie organischer Beläge auf Mineraloberflächen als auch deren chemischer Aufbau mittels Rasterkraftmikroskopie sowie oberflächensensitiver Photoelektronenspektroskopie (engl., X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) untersucht. Die chemische Charakterisierung organischer Beläge erfolgt durch schrittweise Abrasion mittels Argon-Clusterionen sowie durch Untersuchung organischer Beläge im hydratisierten Zustand (cryo-XPS). Zusätzlich untersuchen wir die Auswirkung verschiedener Umweltfaktoren wie z.B. pH und Lösungszusammensetzung auf die Bildung und den zonalen Aufbau organischer Beläge. Desweiteren führen wir Experimente zum Einfluss sequentieller Sorptionsprozesse und sorptiver Fraktionierung als auch von Restrukturierungsprozessen sorbierter organischer Substanz durch. Insgesamt sollen mit unserem Projektvorhaben die wissenschaftlichen Grundlagen für ein tieferes Verständnis zum Aufbau mineral-organischer Grenzflächen erarbeitet und somit das ´Multilayer´-Modell erstmals einer experimentellen Prüfung unterzogen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Klaus Kaiser; Dr. Thimo Klotzbücher; Professor Dr. Christian Mikutta