Project

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In situ Studien zur Bildung und Metamorphose amorpher Kalcium Karbonat Kluster

English title In situ studies on the formation and metamorphosis of amorphous calcium carbonate clusters
Applicant Huthwelker Thomas
Number 157148
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Synchrotron Lichtquelle Schweiz Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.10.2015 - 30.09.2019
Approved amount 267'596.00
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All Disciplines (6)

Discipline
Physical Chemistry
Other disciplines of Physics
Geochemistry
Inorganic Chemistry
Chemical Engineering
Other disciplines of Environmental Sciences

Keywords (16)

Carbonates; Nucleation Theory; Calcium; Magnesium; Water; Aerosol; Crystallization; Synchrotron; XAS; EXAFS; carbon capture and Storage ; CCS; Global warming; Carbon dioxide; geological carbon cycle ; material synthesis

Lay Summary (German)

Lead
Karbonate dienen als natürliches geologisches Reservoir im geologischen CO2 Kreislauf. Zur Verminderung der Menge des klimawirksamen CO2 in der Atmosphäre wurde vorgeschlagen, CO2 in Karbonaten dauerhaft und sicher zu binden und zu speichern. Karbonate sind ebenfalls wichtige Bausteine in biologischen Systemen. In der klassischen Vorstellung bilden sich Kristalle aus einem ersten stabilen Kristall, dem sogenannten Nukleationskeim. Dieser wächst dann zu einem makroskopischen Kristall heran. Bei der Karbonatbildung ist dies anders: Zunächst bilden sich amorphe, ungeordnete Nanoteilchen, die dann zusammenwachsen und sich in geordnete Kristalle verwandeln. Diese Beobachtung stellt die Anwendung der klassischen Nukleationstheorie in Frage und ist daher von grosser theoretischer und praktischer Relevanz für technische Kristallisationsaufgaben. Ziel des Projektes ist es diesen Prozess mittels hochmoderner Synchtrontechniken zu untersuchen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojektes

Dieser Prozess ist im Moment nicht gut verstanden und soll in spezifischen Experimenten mittels Synchronstrahlung untersucht werden. Hierzu werden micrometer kleine Aerosolpartikel aus einer Karbonatlösung erzeugt und unter chemisch kontrollierten Bedingungen prozessiert. Mittels Synchtronstrahlung wird dann die Kristallstruktur während und nach der chemischen Behandlung untersucht. Diese Prozessstudie soll darüber Aufschluss geben, unter welchen Bedingungen sich amorphe oder kristalline Strukturen bilden, und wann sich amorphe in kristalline Strukturen verwandeln.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojektes

Ein spezifisches Ziel des Projektes ist es eine neue Technik zu entwickeln und zu erproben um die Umwandlung amorpher Nanopartikel und kristalline Partikel zu untersuchen. Für einige spezifische System soll herausgefunden werden, unter welchen thermodynamischen Bedingungen amorphe Strukturen stabil bleiben und wann nicht. Die Antwort auf diese Fragen ist relevant für angewandte Fragestellungen, beispielsweise aus dem Bereich der Biomineralisation, oder für die Entwicklung neuer Technologien für die Speicherung von CO2.

Da die  Kristallbildung von Karbonaten auf nicht-klassischem Wege sondern per amorpher Intermediate erfolgt, erwarten wir grundlegende Beiträge zum theoretischen Verständnis der Nukleationstheorie und zur praktischen Anwendung in technischen Kristallbildungsprozessen.

Direct link to Lay Summary Last update: 21.08.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Publications

Publication
Droplet-based in situ X-ray absorption spectroscopy cell for studying crystallization processes at the tender X-ray energy range
Xto Jacinta, Wetter Reto, Borca Camelia N., Frieh Christophe, van Bokhoven Jeroen A., Huthwelker Thomas (2019), Droplet-based in situ X-ray absorption spectroscopy cell for studying crystallization processes at the tender X-ray energy range, in RSC Advances, 9(58), 34004-34010.
Aerosol-based synthesis of pure and stable amorphous calcium carbonate
Xto Jacinta M., Borca Camelia N., van Bokhoven Jeroen A., Huthwelker Thomas (2019), Aerosol-based synthesis of pure and stable amorphous calcium carbonate, in Chemical Communications, 55(72), 10725-10728.
Tuning the Incorporation of Magnesium into Calcite during Its Crystallization from Additive-Free Aqueous Solution
Xto Jacinta M., Du Huachuan, Borca Camelia N., Amstad Esther, van Bokhoven Jeroen A., Huthwelker Thomas (2019), Tuning the Incorporation of Magnesium into Calcite during Its Crystallization from Additive-Free Aqueous Solution, in Crystal Growth & Design, 19(8), 4385-4394.
Modelling Ra-bearing baryte nucleation/precipitation kinetics at the pore scale: application to radioactive waste disposalModelling Ra-bearing baryte nucleation/precipitation kinetics at the pore scale: application to radioactive waste disposal
Curti Enzo, Xto Jacinta, Borca Camelia N., Henzler Katja, Huthwelker Thomas, Prasianakis Nikolaos I. (2019), Modelling Ra-bearing baryte nucleation/precipitation kinetics at the pore scale: application to radioactive waste disposalModelling Ra-bearing baryte nucleation/precipitation kinetics at the pore scale: application to radioactive waste disposal, in European Journal of Mineralogy, 31(2), 247-262.
Supersaturated calcium carbonate solutions are classical
Henzler Katja, Fetisov Evgenii O., Galib Mirza, Baer Marcel D., Legg Benjamin A., Borca Camelia, Xto Jacinta M., Pin Sonia, Fulton John L., Schenter Gregory K., Govind Niranjan, Siepmann J. Ilja, Mundy Christopher J., Huthwelker Thomas, De Yoreo James J. (2018), Supersaturated calcium carbonate solutions are classical, in Science Advances, 4(1), eaao6283-eaao6283.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Prof. Jim De Yoreo United States of America (North America)
- Publication
Prof. Ch. Müller, ETHZ Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Dr. Markus Ammann, PSI Switzerland (Europe)
- Research Infrastructure
Dr John.L. Fulton, PNNL United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Prof. Esther Amstad, epfl Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Prof. Christopher Mundy, PNNL United States of America (North America)
- Publication

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
170747 Ambient pressure XPS for operando studies of (photoelectro)chemical reactions at the solid-liquid interface 01.01.2017 R'EQUIP

Abstract

As main reservoir of the earth’s CO2, carbonates are key to the global carbon cycle, and the industrial synthesis of carbonates to bind anthropogenic CO2 is discussed as carbon storage technique. As main constituent of often nanostructured biominerals, carbonates can be considered as model materials for new functional materials. The precipitation of carbonates from aqueous solutions follows a multistep process via amorphous carbonate clusters (ACC) as intermediates, which have also been found as in biominerals. The stability of ACC is still an open question, and the presence of organics, silicate and magnesium has been shown to stabilize ACC. The mechanism how magnesium incorporates into ACC is unclear, but recent studies indicate that a dehydrated environment supports the synthesis of magnesium enriched ACC. ACC contain about 50 % of water molecules, and their dehydration is the key step towards crystallization of the ACC. Here we propose to synthesize ACC from airborne microdroplets, which contain calcium and magnesium in various composition. The microdroplets will be processed in a gas flow system under controlled conditions of temperature and gas phase (humidity and CO2 partial pressure), and then deposited into an in situ cell for spectroscopic studies of the ACC dehydration under controlled conditions (i.e. temperature, gas phase). Spectroscopic analysis will be made by IR spectroscopy, diffraction and synchrotron based x-ray absorption spectroscopy. Aim of the study is to relate the conditions of dehydration to the crystallization products and to study the structural changes in the ACC during dehydration. In a related project there will be studies on the structure of super saturated solutions of magnesium carbonates and also of salt solutions such as MgSO4, to understand the solution structure, and hence the process just before the nucleation in a solution occurs.
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