In situ-Lumineszenzanalyse von Koordinationssensoren: Blick ins Innere chemischer Reaktionen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Huayna Terraschke
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 287010108

Viele moderne Technologien sind von der Entdeckung von Materialien mit neuen oder verbesserten Eigenschaften abhängig und einen wesentlichen Anteil daran bilden Festkörperverbindungen. Allerdings auch wenn eine sehr große Anzahl von effektiven Methoden zur Verfügung stehen, so ist doch nahezu allen gemein, das bestimmte Edukte zur Reaktion gebracht und nur die am Ende oftmals zufällig gebildeten Produkte untersucht werden. Möchte man jedoch Strategien für eine rationale Synthese entwickeln oder neue Verbindungen entdecken, so müssen die Prozesse während der Reaktion wie z.B. Keimbildung und Keimwachstum oder die Bildung von Intermediaten untersucht werden. Da diese Intermediate ggf. schnell ineinander übergehen, sind ex-situ-Methoden ungeeignet. In den letzten Jahren wurden sehr effizienten Verfahren wie z.B. Röntgenbeugung, Kernspinresonanz und Infrarot-Spektroskopie zur in-situ-Verfolgung chemischer Reaktionen verwendet. Neben vielen Vorteilen bieten diese Verfahren jedoch auch Nachteile, beispielsweise hinsichtlich der Nachweisgrenze, der zeitlichen Auflösung oder der Art der Festkörper die untersucht werden können. Eine Methode, die zum einen zusätzliche Informationen zur Verfügung stellen könnte sowie den etablierten Verfahren bei bestimmten Problemen überlegen ist, stellt die Lumineszenz-Analyse mit hochaufgelösten CCD-Detektoren dar, die bislang noch nicht zur in-situ-Verfolgung von Reaktionen eingesetzt wurde. Bei diesem Verfahren werden emittierende Koordinationssensoren wie die Lanthanoiden-Ionen Eu3+, Eu2+, Ce3+ in das zu untersuchenden System eingeführt und mit Hilfe von in-situ Lumineszenzmessungen unter realen Reaktionsbedingungen verfolgt (In-situ Luminescence Analysis of Coordination Sensors - ILACS). Da die Lumineszenzeigenschaften dieser Ionen stark von der Koordinationsumgebung abhängig sind, liefert dieses Verfahren Informationen über die Änderungen der Koordinationszahl, der Bindungslängen, der Kovalenz der Liganden und über die Symmetrie des Kationenplatzes während einer Reaktion. Dieses Verfahren ist leicht verfügbar, zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit sowie eine hohe zeitliche Auflösung aus und es können auch sehr kleine Kristallite und amorphe Materialien untersucht werden. Das Ziel des hier vorliegenden Antrags besteht daher darin, ein entsprechendes in-situ-Verfahren zu entwickeln und dessen Leistungsfähigkeit an unterschiedlichen Modellsystemen zu testen. Für die Montage des in-situ Lumineszenz-Messaufbaus wird zunächst der stark lumineszierende [Eu(1,10-Phenanthrolin)2(NO3)3]-Komplex verwendet. Anschließend werden komplexere Systeme wie die Umwandlung der verschiedenen Phasen von Calciumphosphat und Carbonat sowie der Klärung offener Fragen hinsichtlich der Bildung amorpher Phasen vor Beginn deren Kristallisation untersucht. In diesem Zusammenhang soll auch untersucht werden, ob die Bildung anderer Erdalkalimetallverbindungen Verbindungen wie SrCO3, BaCO3 und SrHPO4 über amorphe Intermediate erfolgt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Fluoreszenz-Spektrometer
• Gerätegruppe: 1850 Spektralfluorometer, Lumineszenz-Spektrometer (außer Filterfluorometer