Project

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Electron transfer properties of photoexcited natural organic matter

English title Electron transfer properties of photoexcited natural organic matter
Applicant McNeill Kristopher
Number 156198
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Biogeochemie und Schadstoffdynamik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Geochemistry
Start/End 01.04.2015 - 30.04.2019
Approved amount 524'692.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Geochemistry
Other disciplines of Earth Sciences
Other disciplines of Environmental Sciences

Keywords (7)

triplet states; photochemistry; reactive oxygen species; natural organic matter; singlet oxygen; indirect photolysis; humic substances

Lay Summary (German)

Lead
Bei der Entfernung von Schadstoffen aus Oberflächengewässern ist der photochemische Abbau ist ein zentraler Prozess. Ein wichtiger Reaktionsweg ist dabei die Reaktion der Schadstoffe mit sogenannten Triplettzuständen von natürlich vorkommenden chemischen Verbindungen, auch 3CDOM (Triplet state chromophoric dissolved organic matter) genannt. Diese Triplettzustände entstehen, wenn chemischen Verbindungen, die natürlich in Obeflächengewässern vorkommenden, Licht absorbieren. Wenn 3CDOM gebildet werden, können Sie als Oxidationsmittel Elektronen von Schadstoffen abziehen und dabei deren weiteren Abbau einleiten. Einige wichtige Fragen betreffend der Natur von 3CDOM, zum Beispiel wie effizient sie gebildet werden und wie stark sie als Oxidationsmittel wirken, sind bisher unbeantwortet. Das vorliegende Projekt wird zwei Doktoranden involvieren, welche diesen Fragestellungen nachgehen werden und dabei unser Verständnis über 3CDOM verbessern werden.
Lay summary

Lead

Bei der Entfernung von Schadstoffen aus Oberflächengewässern ist der photochemische Abbau ist ein zentraler Prozess. Ein wichtiger Reaktionsweg ist dabei die Reaktion der Schadstoffe mit sogenannten Triplettzuständen von natürlich vorkommenden chemischen Verbindungen, auch 3CDOM (Triplet state chromophoric dissolved organic matter) genannt. Diese Triplettzustände entstehen, wenn chemischen Verbindungen, die natürlich in Obeflächengewässern vorkommenden, Licht absorbieren. Wenn 3CDOM gebildet werden, können Sie als Oxidationsmittel Elektronen von Schadstoffen abziehen und dabei deren weiteren Abbau  einleiten. Einige wichtige Fragen betreffend der Natur von 3CDOM, zum Beispiel wie effizient sie gebildet werden und wie stark sie als Oxidationsmittel wirken, sind bisher unbeantwortet.

Inhalt und Ziele

Die Ziele dieses Projekts sind es, 1. die Ausbeute der 3CDOM Bildung zu bestimmen, 2. die verschieden Typen von entstandenem 3CDOM zu unterscheiden, 3. die  Stärke der 3CDOM als Oxidationsmittel einzuschätzen, und 4. zu bewerten, wie das stark die Assoziation von Schadstoffen und 3CDOM die Oxidationsrate der Schadstoffe erhöht. 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

Wir erwarten durch dieses Projekt das Verständnis über die fundamentalen Eigenschaften von 3CDOM zu verbessern.  Dieses Verständnis wird einer größeren Wissenschaftsgemeinschaft helfen. Einige Beispiele sind die Biogeochemie, die den Kreislauf der Elemente untersucht, die Umweltchemie, welche am chemischen Schicksal organischer Schadstoffe interessiert ist und die Umwelttechnik, die photochemische Wasserbehandlung studiert. Das vorgeschlagene Projekt wird ebenfalls die weitere Ausbildung zweier Doktorats- und vier mit dem Projekt verknüpften Masterstudenten beinhalten.

Direct link to Lay Summary Last update: 31.03.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Development of N-cyclopropylanilines to probe the oxidative properties of triplet-state photosensitizers
Pflug Nicholas C, Schmitt Markus, McNeill Kristopher (2019), Development of N-cyclopropylanilines to probe the oxidative properties of triplet-state photosensitizers, in Environmental Science and Technology, 000.
Non-Singlet Oxygen Kinetic Solvent Isotope Effects in Aquatic Photochemistry
Davis Caroline A., McNeill Kristopher, Janssen Elisabeth M.-L. (2018), Non-Singlet Oxygen Kinetic Solvent Isotope Effects in Aquatic Photochemistry, in Environmental Science & Technology, 52(17), 9908-9916.
Singlet Oxygen Phosphorescence as a Probe for Triplet-State Dissolved Organic Matter Reactivity
Erickson Paul R., Moor Kyle J., Werner Jeffrey J., Latch Douglas E., Arnold William A., McNeill Kristopher (2018), Singlet Oxygen Phosphorescence as a Probe for Triplet-State Dissolved Organic Matter Reactivity, in Environmental Science & Technology, 52(16), 9170-9178.
Environmental photochemistry of fenamate NSAIDs and their radical intermediates
Davis Caroline, Erickson Paul, McNeill Kristopher, Janssen Elisabeth (2017), Environmental photochemistry of fenamate NSAIDs and their radical intermediates, in Environmental Science: Processes and Impacts, 19 (5 ), 656-665.
Triplet-State Dissolved Organic Matter Quantum Yields and Lifetimes from Direct Observation of Aromatic Amine Oxidation
Schmitt Markus, Erickson Paul, McNeill Kristopher (2017), Triplet-State Dissolved Organic Matter Quantum Yields and Lifetimes from Direct Observation of Aromatic Amine Oxidation, in Environmental Science and Technology, 51(22), 13151-13160.
Triplet state dissolved organic matter in aquatic photochemistry: reaction mechanisms, substrate scope, and photophysical properties
McNeill Kristopher, Canonica Silvio (2016), Triplet state dissolved organic matter in aquatic photochemistry: reaction mechanisms, substrate scope, and photophysical properties, in Environmental Science: Processes & Impacts, 18, 1381-1399.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Dr. Silvio Canonica Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Dr. Douglas Latch United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Exchange of personnel

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
138008 Environmental photochemistry of amino acids, peptides and proteins 01.01.2012 Project funding (Div. I-III)
188565 Reactivity-based characterization of photoexcited natural organic matter 01.02.2020 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Triplet state chromophoric dissolved organic matter (3CDOM) is formed in all natural waters that are exposed to sunlight. This reactive species plays a central role in environmental photochemistry, where it acts as a powerful oxidant and a source of other reactive species, such as singlet oxygen. Despite its centrality, there are many open questions about the nature of 3CDOM. This proposal aims to fill gaps in our knowledge regarding this important species by quantifying its key excited state parameters.The specific objectives of this proposal are to (1) Determine the quantum yields of 3CDOM formation; (2) Assess the extent to which the pool of 3CDOM species responsible for energy transfer sensitization overlap with the 3CDOM species responsible for oxidation; (3) Estimate the excited state redox potential values (E0*) for DOM samples of terrestrial and aquatic origins; and, (4) Assess the extent to which pre-association of a donor compound to DOM enhances its oxidation rate. The work plan is organized into two Subprojects that will be carried out by two PhD students. The expected scientific outcomes include achieving the immediate goal of improving the understanding of the fundamental excited state properties (e.g., excited state energy and redox potential). This understanding promises to impact a larger scientific community, including biogeochemists studying element cycling in aquatic systems, environmental chemists interested in the fate of organic pollutants, and environmental engineers studying photochemical water treatment. The fundamental aspects of this work will also reach over to pure physical chemistry. Facets of our work related to the oxidation of organic molecules by triplet excited states may also impact research on photobiology. We expect to make significant methodological advances beneficial to the environmental chemistry community working on the photochemistry of natural waters. The proposed project will also achieve education outcomes that include the education of two PhD students. In addition, four related master thesis projects are anticipated. Numerous synergisms are expected to arise from the parallel projects on distinct yet closely related topics.
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