Hyperpolarisierte Kernspinresonanz im Null-Ultralow-Feld

• Antragsteller: Professor Dmitry Budker, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465084791

Wir schlagen vor, zwei aktuelle Entwicklungen in der Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie und Bildgebung zu kombinieren - Zero- bis Ultralow-Field (ZULF) NMR und NMR mit hyperpolarisierten Proben - um eine neue Technik für die Untersuchung katalytischer Prozesse zu etablieren.Für die Optimierung chemischer Industrieprozesse ist es wünschenswert, die Katalyse unter realistischen Bedingungen zu untersuchen. Konventionelle Hochfeld-NMR-Spektroskopie und -Bildgebung sind in dieser Hinsicht nützliche Werkzeuge, da sie gleichzeitig chemische Informationen über eine Probe liefern und die Möglichkeit bieten, Massenfluss oder Transport mit chemischer Spezifität abzubilden. Allerdings geht die chemische Spezifität aufgrund der Verbreiterung der magnetischen Empfindlichkeit oft verloren, und die begrenzte hochfrequente Eindringtiefe schließt die Verwendung von Metallbehältern aus. Die Notwendigkeit, ein starkes Magnetfeld anzulegen, schränkt auch die Portabilität ein und begrenzt die Größe der Systeme, die untersucht werden können. Im Gegensatz dazu arbeitet die ZULF-NMR mit Tonfrequenzen und ist daher frei von Suszeptibilitätseffekten, was bedeutet, dass die chemische Spezifität auch bei heterogenen oder zweiphasigen Proben erhalten bleibt und es möglich ist, durch leitfähige (z. B. metallische) Materialien zu "sehen".Wir werden die ZULF-NMR als Methode zur Durchführung von operando-Reaktionsüberwachung untersuchen. Um der geringen Signalstärke der ZULF-NMR zu begegnen, verwenden wir die Technik der Hyperpolarisation auf Basis von Parawasserstoff. Wasserstoffgas kann leicht in einem Nicht-Gleichgewichts-Kernspinzustand (Parawasserstoff) hergestellt werden, was zu verstärkten (hyperpolarisierten) NMR-Signalen der Probe nach einer chemische Reaktion führt. Wir werden diese hyperpolarisierten Proben verwenden, um die ZULF-NMR als Methode zur Überwachung chemischer Reaktionen in homogenen Lösungen zu entwickeln, sowie die Wechselwirkung hyperpolarisierter Moleküle mit aktiven Zentren auf Oberflächen poröser Katalysatoren und Sorbentien zu untersuchen.Schließlich wird in dieser Studie Parawasserstoff nicht nur als Hyperpolarisationsquelle, sondern auch als chemischer Reaktant und als mechanistische Probe verwendet. Ein Ziel ist es, die im industriellen Maßstab stattfindenden Hydrierungsreaktionen durch Effizienzsteigerung dieser Prozesse, erheblich zu verbessern. Parawasserstoff führt nur dann zu verstärkten Signalen, wenn die Addition paarweise erfolgt. Dies kann genutzt werden, um Einblicke in die zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen zu erhalten, aber auch zur Optimierung von heterogenen Katalysatoren, für die die Single-Site-Hydrierung mit besser definierten und strukturierten aktiven Zentren ein wichtiges Ziel ist. Wir werden daher die Reaktionsmechanismen der Hydrierung an festen, geträgerten Metallkatalysatoren untersuchen, indem wir die ZULF-NMR mit einer Signalverstärkung durch Parawasserstoff-basierte Spin-Hyperpolarisation kombinieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Igor V. Koptyug, bis 3/2022