Pulverdiffraktometer
Final Report Abstract
Am Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg werden Methoden zur Erzeugung von Nanopartikeln systematisch intensiv untersucht. Neben den zugrundeliegenden Bildungsmechanismen sowie physikalischen Eigenschaften der erzeugten dispersen Systeme stehen dabei insbesondere die Bildung und Folgen von strukturellen Defekten im Mittelpunkt des Interesses. Mithilfe des Bruker D8-Advance konnten dabei erhebliche Fortschritte im Verständnis der Bildungsmechanismen bei Fallungsprozessen in der Flüssig- sowie Gasphase und den Mechanismen in der Nanonasszerkleinerung erzielt werden. Das Pulverdiffraktometer kam in den ersten beiden Jahren nach Inbetriebnahme folglich zur Untersuchung von Bottom-Up und Top-Down Verfahren gleichermaßen zum Einsatz: Bei der Untersuchung des Wachstums und der Reifung von ZnO Nanostäbchen in Methanol konnte mithilfe der Röntgenstrukturaufklärung und hochauflösender Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie gezeigt werden, dass es in den frühen Wachstumsstadien des Prozesses zu einer orientierten Aggregation von zwei bis drei sphärischen Kristalliten kommt. Die dadurch vorgeprägte Stäbchenform wächst in den folgenden Stadien hauptsächlich durch Ostwaldreifung zu einer Länge von bis zu 90nm mit einem hexagonalen Querschnitt von bis zu 18nm. Insbesondere durch sorgfältige Auswertung von Pulverdiffraktogrammen konnte gezeigt werden, dass das Wachstum in Alkohlen einem Potenzgesetz gehorcht und durch Volumendiffusion limitiert ist. Durch Rietveld Verfeinerung unter Berücksichtigung und Auswertungen des Mikrostrains an gemessenen Pulverdiffraktogramme konnten zwei grundlegende Bruchmechanismen im Nanometerbereich sowie eine materialabhängige untere Partikelgröße aufgeklärt werden, die minimal mithilfe der Nasszerkleinerung erreicht werden kann. Ab dieser unteren Größe tritt kein weiterer Partikelbruch auf, die Zerkleinerung kommt zum Erliegen. Die mithilfe der Auswertung des Mikrostrains gewonnene Modellvorstellung geht davon aus, dass ab dem unteren Größenlimit keine weiteren Defekte im Partikel erzeugt oder gespeichert werden können. Als direkte Folge kann keine weitere elastische Energie vom Partikel aufgenommen werden, so dass der Gitterbruch ausbleibt: die materialabhängige Zerkleinerungsgrenze ist erreicht. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Zerkleinerungsgrenze weitestgehend unabhängig von Prozessparametern ist. Die Zerkleinerungskinetik sowie die nötige Energie hingegen hängen stark von den gewählten Prozess parametern ab. Durch eine geschickte Wahl der Einstellungen lassen sich bis zu 90% Energie einsparen. Wie die Vielzahl an Publikationen des Lehrstuhls für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik aus unterschiedlichsten Forschungsbereichen der letzten drei Jahre zweifelsfrei zeigt, hat sich das Pulverdiffraktometer insgesamt zu einer äußerst wichtigen Charakterisierungsmethode für die Forschung am Lehrstuhl entwickelt: Ein großer Teil der aktuellen Forschungsaktivitäten mit dem Schwerpunkt auf Defektstrukturen in Nanopartikeln wurde erst durch die Beschaffung des Gerätes ermöglicht. Auch für die Synthese und Modifikation von Nanopartikeln aus der Flüssig- bzw. Gasphase kann der Wert des Gerätes nicht genug unterstrichen werden: Die Analyse der vorliegenden Phasen, der Kristallltgrößen, des Amorphanteils und der Verspannung der Partikeln ermöglichte völlig neue Ansätze in der Kontrolle und Steuerung von Partikelsynthesen.
Publications
- "Communication via electron and energy transfer between zinc oxide nanoparticles and organic adsorbates" (2009), Journal of Physical Chemistry C 113 (11), pp. 4669-4678
Marczak, R.; Werner, F.; Gnichwitz, J.-F.; Hirsch, A.; Guldi, D.M.; Peukert, W.
- "Detailed analysis of the growth kinetics of ZnO nanorods in methanol" (2010), Journal of Physical Chemistry C 114 (14), pp. 6243-6249
Voigt, M.; Klaumünzer, M.; Thiem, M.; Peukert, W.
- "Effect of grinding conditions on mechanochemical grafting of poly(1-vinyl-2-pyrrolidone) onto quartz particles" (2010), Advanced Powder Technology 21 (2010) 50-56
Damm, C.; Mallembakam, M.; Peukert, W.
- "Efficient synthetic access to cationic dendrons and their application for ZnO nanoparticles surface functionalization: New building blocks for dye-sensitized solar cells" (2010), Journal of the American Chemical Society 132 (50), pp. 17910-17920
Gnichwitz, J.-F.; Marczak, R.; Werner, F.; Lang, N.; Jux, N.; Guldi, D.M.; Peukert, W.; Hirsch, A.
- "Nanoparticle production with stirred-media mills: Opportunities and limits" (2010), Chemical Engineering and Technology 33 (9), pp. 1401-1411
Knieke, C.; Steinborn, C.; Romeis, S.; Peukert, W.; Breitung-Faes, S.; Kwade, A.
- "Optimum between purification and colloidal stability of ZnO nanoparticles" (2010), Advanced Powder Technology 21 (1), pp. 41-49
Marczak, R.; Segets, D.; Voigt, M.; Peukert, W.
- "Delamination and dissolution of titanate nanowires: A combined structure and in situ second harmonic generation study" (2011), Journal of Physical Chemistry C 115 (25), pp. 12381-12387
Schürer, B.; Elser, M.J.; Sternig, A.; Peukert, W.; Diwald, O.
- "Influence of process parameters on breakage kinetics and grinding limit at the nanoscale" (2011), AIChE Journal 57 (7), pp. 1751-1758
Knieke, C.; Romeis, S.; Peukert, W.
- "Influence of the counterion on the synthesis of ZnO mesocrystals under solvothermal conditions" (2011), Chemistry - A European Journal 17 (10), pp. 2923-2930
Distaso, M.; Klupp Taylor, R.N. Taccardi, N.; Wasserscheid, P.; Peukert, W.
- Detailed investigations of ZnO photoelectrodes preparation for dye sensitized solar cells" (2011), Langmuir 27 (7), pp. 3920-3929
Marczak, R.; Werner, F.; Ahmad, R.; Lobaz, V.; Guldi, D.M.; Peukert, W.
