ICC: Size and Structure Sensitivity of Metal Nanoparticle Reactivity in the Aerosol State
Mechanical Process Engineering
Final Report Abstract
Diese Arbeit untersucht zum ersten Mal systematisch Adsorptionsvorgänge an gasgetragenen metallischen Nanopartikeln. Hierfür wurden Nanopartikel in der Gasphase generiert und durch die Verwendung verschiedener Prozessschritte ein breites Spektrum an Größen und Strukturen verwirklicht. Ursprüngliches Ziel war es, einen Beitrag zur Aufklärung offener Fragen in der heterogenen Goldkatalyse zu leisten. Unerwartet war aber die mangelnde Reaktivität der generierten Goldnanopartikeln. Es gibt immer noch offene Fragestellungen in diesem Bereich, die im Rahmen dieser Arbeit ermittelten Ergebnisse zeigten aber, dass im Bereich zwischen 3,5 und 20 nm keine messbare Aktivität der ungetragenen Partikeln für die Oxidation von CO vorhanden war und ebenfalls keine Adsorption von CO und Hexen messbar war. Lediglich die Adsorption der extrem Gold-affinen Thiole war mithilfe der APES nachvollziehbar. Es wurde für das System Gold/Hexanthiol gezeigt, dass die Austrittsarbeitsänderung eine Funktion des Partialdruckes von Hexanthiol ist, und dass diese Funktion keiner einfachen Langmuir Isotherme folgt. In diesem Fall muss der funktionelle Zusammenhang noch geklärt werden. Während bei CO und Gold keine Änderung der Austrittsarbeit gemessen werden konnte, wurde bei Pt und CO ein Zusammenhang zwischen Änderung der Austrittsarbeit und CO Partialdruck gefunden. Dieser Zusammenhang stimmte mit einer Langmuir Isotherme gut überein. Der Unterschied ist, dass CO ein kleines und starres Molekül im Vergleich zu Hexanthiol ist. Dieser einfache Zusammenhang erlaubt dann eine quantitative Aussage über den Bedeckungsgrad der Partikel. Im Rahmen dieses Projektes wurden auch die Systeme Gold/Hexen und Silber/Hexen mit Tandem-DMA untersucht. Hier zeigte überraschenderweise Gold ebenfalls keine Reaktivität. Silber dagegen zeigte eine klare Partikelvergrößerung, deren Maximum in etwa die Moleküllänge von Hexen entspricht. Diese Vergrößerung war eine Funktion des Partialdruckes und der Temperatur. Insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Adsorption stellte ein interessantes Ergebnis dar, da ein Maximum bei einer bestimmten Temperatur gemessen wurde. Diese Temperatureffekte sollten weiterhin untersucht werden. Die Tatsache, dass quantitative Aussagen über den Bedeckungsgrad online gemacht werden können, auch wenn dies indirekt über eine Änderung der Austrittsarbeit erfolgt, eröffnet vielfältige Möglichkeiten zur Untersuchungen grundlegender Fragestellungen der Oberflächenchemie von Nanopartikeln. Hierfür wäre eine weitere Optimierung der Photoemissionsanlage denkbar, um mit kleineren Partikelkonzentrationen messen zu können. Ein empfindlicheres Elektrometer und/oder stärkere Lichtquellen könnten eine Abhilfe in dieser Hinsicht schaffen.
Publications
- Generation of gold nanoparticles for aerosolphotoemission studies, Gordon Research Seminar (GRS) on Noble Metal Nanoparticles, South Hadley, MA, USA, Jun. 2012
S. Onel, M. Seipenbusch
- Online measurement of adsorption on nanoparticles using Aerosol Photoemission Spectroscopy. Nano-structure in disperse systems: production, characterization and functionality (KIT Symposium), Karlsruhe, Nov. 2012
S. Onel, M. Seipenbusch
- Measurement of chemisorption on metallic nanoparticles using aerosol photoemission spectroscopy, European Aerosol Conference, Prague, Czech Republic, Sept. 2013
S. Onel, M. Seipenbusch
- Measuring the uptake of 1-hexene on gas-carried silver nanoparticles. Gordon Research Conference (GRC) on Chemical Reactions at Surfaces, Les Diablerets, Switzerland, 28.04.-03.05.2013
S. Onel, A. Muntean, C. Chiang, J.T. Roberts, and M. Seipenbusch
