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Jerome Kretzschmar
Surface Processes
j.kretzschmarAthzdr.de

Promotionsarbeiten


NMR-spektroskopische Untersuchungen endlager- bzw. umweltrelevanter Lanthanid-, Actinid- und Selenkomplexe mit anorganischen und organischen Komplexbildnern

Pic J. Kretzschmar

Promotionsstudent:
Jérôme Kretzschmar
Betreuer:
Prof. Dr. E. Brunner (TU Dresden), Dr. V. Brendler, Dr. A. Barkleit (HZDR)
Abteilung:
Grenzflächenprozesse
Zeitraum:
11/2011–10/2014


Motivation:

Radioaktive Elemente können aus verschiedenen Gründen in die Umwelt gelangen. So gibt es natürliche Uran- und Thoriumverbindungen (und deren Zerfallsprodukte) in Gesteinen, die durch Verwitterung oder durch bergbauliche Prozesse freigesetzt werden können. Durch die jahrzehntelange Energiegewinnung aus spaltbarem Material und den dabei angefallenen radioaktiven Abfällen können, wenn nicht sachgerecht gelagert, ebenfalls Radionuklide in die Umwelt gelangen. Schwerpunkt unserer Forschung ist es, das Transportverhalten dieser radioaktiven Elemente und deren mögliche Spaltprodukte in der Umwelt zu untersuchen. Hierbei sind sowohl Gesteine und natürliche Mineralphasen als auch Biomoleküle potenzielle Bindungspartner und Gegenstand der Untersuchungen.

Von vorrangigem Interesse sind die Actinide vom Thorium bis zum Americium als auch das bei Kernreaktionen und Zerfallsprozessen entstehende Halbmetall Selen. Erstere sind Metalle und kommen meist als kationische Spezies vor, während letzteres hauptsächlich als Anion vorkommt. Diese Elemente haben sowohl eine hohe Radio- als auch Chemotoxizität. Insbesondere Uran und Selen sind durch ihre interessante Redoxchemie geprägt. Dreiwertige Actinide können gut durch Lanthanide als inaktive Analoga, wie z.B. Americium durch das isoelektronische Europium, ersetzt werden.

Die Endlagerung radioaktiver Stoffe ist ein in Deutschland viel und kontrovers diskutiertes Thema und mit hohen Sicherheitsanforderungen verknüpft, welche den Eintritt der Radionuklide in den Stoffkreislauf verhindern und im Falle einer Freisetzung Schutz von Mensch und Umwelt gewährleisten sollen (Langzeitsicherheitsanalysen).

Ziele:

Ziel der Arbeit ist es einerseits, die NMR-Spektroskopie zur Charakterisierung umweltrelevanter Lanthanid-, Actinid- sowie Selenkomplexe zu bemühen und deren Grenzen auszuloten. Andererseits soll insbesondere für solche Fragestellungen, bei denen andere spektroskopische Methoden kein eindeutiges oder konsistentes Ergebnis geliefert haben, mithilfe der NMR-Spektroskopie geklärt werden.

Schwerpunkt der Arbeit sind die Strukturaufklärung der mit umweltrelevanten Komplexbildnern entstehenden Komplexe sowie die Bestimmung der potenziellen Bindungsstellen, um das chemische Verhalten auf molekularer Ebene verstehen und das Verhalten strukturell ähnlicher Komplexierungspartner abschätzen zu können. Da die Untersuchung großer Biomoleküle sehr kompliziert sein kann, werden hier kleinere organische Moleküle, beispielsweise Citrat oder Glutathion (ein Tripeptid) herangezogen. Als ubiquitäre Biomoleküle stellen diese entweder selbst potenzielle Bindungspartner dar oder sind Modellsubstanzen für z.B. Huminsäuren oder Proteine.

Die interessierenden Systeme sollen mithilfe ein- und zweidimensionaler Lösungs- und Festkörper-NMR-spektroskopischer Methoden, unterstützt durch TRLFS, ATR FT-IR und EXAFS charakterisiert werden. Wo möglich, werden die radioaktiven Elemente durch inaktive Analoga oder Isotope ersetzt. Im Falle des Selens besteht die Möglichkeit, das natürliche Isotop Selen-77 direkt für die NMR-Spektroskopie zu verwenden.


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