Strukturen und Reaktionen an der Wasser-/Mineralgrenzfläche
Die Helmholtz-Nachwuchsgruppe "Strukturen und Reaktionen an der Wasser/Mineralgrenzfläche" war eine von der Helmholtz Gemeinschaft geförderte Nachwuchsgruppe am Institut für Ressourcenökologie von 2013 - 2018. Die Gruppe beschäftigte sich mit den Reaktionen der Actiniden (v.a. Pu, Am und Cm) mit Mineralphasen auf der molekularen Ebene. Im Kontext der Langzeitsicherheitsanalyse eines Endlagers für radioaktive Reststoffe sollen Prozesse die zur Rückhaltung der Actiniden beitragen können detailliert beschrieben werden, um ihre Relevanz für die Radionuklidmigration beschreiben zu können.
Im ternären System Actinid/Wasser/Mineraloberfläche können eine Vielzahl von Reaktionen auftreten (s. Abbildung), die sich in ihrer Retentionsstärke teilweise signifikant voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann ein in eine Mineralphase strukturell eingebautes Ion nur remobilisiert werden, wenn sich diese Mineralphase makroskopisch auflöst, wohingegen ein "outer sphere" sorbiertes Ion oftmals bereits bei Änderungen in der Ionenstärke der Lösung wieder mobil wird.
Um ein solches System akkurat beschreiben zu können, müssen wir also Methoden einsetzen, die in der Lage sind oberflächenspezifisch, molekulare Informationen zu liefern. Unsere Nachwuchsgruppe bedient sich hierzu einerseits der Oberflächenröntgenbeugung (crystal truncation rods - CTR und resonant anomalous X-ray reflectivity - RAXR) sowie der site-selektiven zeitaufgelösten Laser-Fluoreszenzspektroskopie (time-resolved laser fluorescence spectroscopy - TRLFS). Beide Techniken sind in der Lage die Speziation von Spurenkonzentrationen von Actiniden an einer Grenzfläche in situ abzubilden. Die TRLFS liefert hierbei Informationen aus der Perspektive des Adsorbats, wohingegen CTR und RAXR ein Gesamtbild der Grenzfläche vom ungestörten Mineral bis zur ungestörten Lösung abbilden. Die Grundlagenforschung der Nachwuchsgruppe soll so einen Beitrag zur langfristig sicheren Verwahrung radioaktiver Abfälle leisten.
Die Gruppe wurde positiv evaluiert und ist zum 1. Oktober 2018 planmäßig ausgelaufen.
Mitglieder
- Dr. Moritz Schmidt
- Sophia Hellebrandt
- Sebastian Reese
- Dr. Canrong Qiu
- Dr. Bin Xiao
- Konrad Molodtsov
- Julia Neumann
- Dr. Erik V. Johnstone
- Dr. Sascha Hofmann
- Dr. Stefan Hellebrandt
Ausgesuchte Publikationen
- B. Xiao, H. Lösch, N. Huittinen, M. Schmidt (2018) "Local structural effects of Eu3+ incorporation into xenotime-type solid solutions with different host cations", Chem. Eur. J., 24(50), 13368-13377.
- C. Qiu, P. J. Eng, C. Hennig, M. Schmidt (2018) "Competitive adsorption of ZrO2 nanoparticle and alkali cations (Li+ – Cs+) on muscovite (001)", Langmuir, 34(41), 12270-12278.
- C. Qiu, F. Majs, T. A. Douglas, M. Schmidt, T. P. Trainor (2018) "In situ Structural Study of Sb(V) Adsorption on Hematite (1-102) Using X-ray Surface Scattering", Environ. Sci. Technol., 52(19), 11161-11168.
- C. Qiu, F. Majs, P. J. Eng, J. E. Stubbs, T. A. Douglas, M. Schmidt, T. P. Trainor (2018) "In situ Structural Study of the Surface Complexation of Pb(II) on the Chemically Mechanically Polished Hematite (1-102)", J. Colloid Interf. Sci., 524, 65-75.
- C. Qiu, P. J. Eng, C. Hennig, M. Schmidt (2018) "Formation and aggregation of Zr(IV)-nanoparticles on Muscovite (001)", J. Phys. Chem. C, 122(7), 3865-3874.
- B. Xiao and M. Schmidt (2017) "Incorporation of Europium(III) into Scheelite-Related Host Matrixes ABO4 (A = Ca2+, Sr2+, Ba2+; B = W6+, Mo6+): Role of A and B Sites on the Dopant Site Distribution and Photoluminescence", Inorg. Chem., 56(24), 14948-14959.
- E. V. Johnstone, S. Hofmann, A. Cherkouk, M. Schmidt (2016) "Study of the Interaction of Eu3+ with Microbiologically Induced Calcium Carbonate Precipitates using TRLFS", Environ. Sci. Technol., 50(22), 12411-12420.
- S. Hellebrandt, K. E. Knope, S. S. Lee, A. J. Lussier, J. E. Stubbs, P. J. Eng, L. Soderholm, P. Fenter, M. Schmidt (2016) "A Comparison of Adsorption, Reduction, and Polymerization of the Plutonyl(VI) and Uranyl(VI) Ions from Solution onto the Muscovite Basal Plane", Langmuir, 32(41), 10473-10482.
- S. E. Hellebrandt, S. Hofmann, N. Jordan, A. Barkleit, M. Schmidt (2016) "Incorporation of Eu(III) into Calcite under Recrystallization conditions", Sci. Rep., 6, 33137.
- S. S. Lee, M. Schmidt, T. T. Fister, K. L. Nagy, N. C. Sturchio, P. Fenter (2016) "Structural Characterization of Aluminum (Oxy)hydroxide Films at the Muscovite (001)–Water Interface", Langmuir, 32(2), 477-486.
- S. Hofmann, K. Voïtchovsky, P. Spijker, M. Schmidt, T. Stumpf (2016) "Visualising the molecular alteration of the calcite (104) – water interface by sodium nitrate", Scientific Reports, 6, 21576.
- M. Schmidt, S. Hellebrandt, K. E. Knope, S. S. Lee, J. E. Stubbs, P. J. Eng, L. Soderholm, P. Fenter (2015) "Effects of the Background Electrolyte on Th(IV) Sorption to Muscovite Mica", Geochim. Chosmochim. Acta, 165, 280-293.
- S. Hofmann, K. Voitchovsky, M. Schmidt, T. Stumpf (2014) “Trace concentration - huge impact: Nitrate in the calcite/Eu(III) system”, Geochim. Cosmochim. Acta, 125, 528-538.
- M. Schmidt, S. S. Lee, R. E. Wilson, K. E. Knope, F. Bellucci, P. J. Eng, J. E. Stubbs, L. Soderholm, P.Fenter, (2013) “Surface-Mediated Formation of Pu(IV) nanoparticles at the Muscovite-Electrolyte Interface”, Environ. Sci. Technol., 47(24), 14178-14184.
- S. S. Lee, M. Schmidt, N. Laanait, N. C. Sturchio, P. Fenter, (2013) “Investigation of Structure, Adsorption Free Energy, and Overcharging Behavior of Trivalent Yttrium Adsorbed at the Muscovite (001) - Water Interface”, J. Phys. Chem. C, 117(45), 23738-23749.
- H. Geckeis, J. Lützenkirchen, R. Polly, T. Rabung, M. Schmidt, (2013) “Mineral–Water Interface Reactions of Actinides”, Chem. Rev., 113(2), 1016–1062.