Janzen Christian :

Untersuchungen zur Synthese von Eisenoxid-Nanopartikeln in der Gasphase

Dissertation angenommen durch: Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau, 2002-11-08

BetreuerIn: Prof. Dr.-Ing. Paul Roth , Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau

GutachterIn: Prof. Dr.-Ing. Paul Roth , Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau
GutachterIn: Prof. Dr.rer.nat. Thomas Just

Schlüsselwörter in Englisch: particle mass spectrometry

 
   
 Klassifikation     
    Sachgruppe der DNB: 36 Energie-, Maschinen-, Fertigungstechnik
 
   
 Abstrakt     
   

Abstrakt in Deutsch

In der vorliegenden Arbeit wurde die Entstehung von Eisenoxid-Nanopartikeln aus Eisenpentacarbonyl (Fe(CO)5) in Gasphasenreaktoren experimentell untersucht und mit Computersimulationen verglichen. Hierzu wurden drei Gasphasenreaktoren eingesetzt, die sich hinsichtlich der Energieeinkopplung in ein reaktives Gasgemisch unterscheiden. Neben einem Flammenreaktor wurden ein Heißwandreaktor und ein Mikrowellenreaktor verwendet. Die Effekte dieser unterschiedlichen Einkopplung auf die Wachstumsvorgänge der Partikel im Strömungsreaktor wurden mit einem Partikelmassenspektrometer gemessen. Darüber hinaus wurden physikalische und chemische Eigenschaften wie Kristallstruktur, Zusammensetzung, Größe und Morphologie mit der Röntgenfeinstrukturanalyse, der Transmissionselektronenmikroskopie und der SQUID Magnetometrie untersucht. Die Ergebnisse am Flammenreaktor haben gezeigt, dass in allen Fällen die Bildung von g-Fe2O3 nachgewiesen werden konnte. Die Partikel sind einphasig und weisen superparamagnetische Eigenschaften mit einer Größenabhängigkeit der Sättigungsmagnetisierung und der blocking-Temperatur auf. Die Strömungskoordinate stellt den maßgeblichen Einflussfaktor auf die Partikelgröße dar. So konnte eine Änderung des Abstandes zwischen Flammenaustritts- und Messebene von 65 mm auf 120 mm eine Zunahme in der mittleren Partikelmasse von 180% bestimmt werden. Eine Änderung in der Flammengaszusammensetzung, des Reaktionskammerdrucks, der Precursorkonzentration und der Anströmgeschwindigkeit hingegen zeigen kaum einen Einfluss auf die Größe der gebildeten Partikel. Die experimentellen Ergebnisse konnten sehr gut mit einem sektionalen Modell zur Beschreibung der Partikelwachstumsprozesse beschrieben und berechnet werden. Bei den Versuchen am Mikrowellenreaktor konnte ebenfalls die Bildung der g-Phase des Eisenoxids nachgewiesen werden. Die erzeugten Partikel weisen eine mittlere Größe von 3 bis 5 nm auf. Neben der Precursorkonzentration hat die Mikrowellenenergie den stärksten Einfluss auf die Partikelgröße. Im Konzentrationsbereich zwischen 590 ppm und 2060 ppm nimmt der Durchmesser um 20% zu und mit zunehmender Leistung die Partikelgröße ab. Änderungen des Drucks im Bereich von 20 bis 30 mbar haben nur einen sehr geringen Einfluss. Die Bildung von Eisenoxid-Nanopartikeln im Heißwandreaktor konnte anhand von TEM-Aufnahmen verfolgt werden, da durch die Art der Prozessführung bedingt zu wenig geladene Partikel vorhanden waren, um eine Messung mit dem Partikelmassenspektrometer zu ermöglichen. Unterhalb von T = 500°C bestehen die Partikel zum Teil aus amorphen Fe2O3, zum Teil liegen sie kristallin in der g-Phase vor. Eine Erhöhung der Precursorkonzentration von 590 ppm auf 3450 ppm führte zu einer Vergrößerung des Partikeldurchmessers um 15%. Eine Anhebung des Drucks von 20 mbar auf 40 mbar hat eine Erhöhung des Partikeldurchmessers um 63%zur Folge, wohingegen die Reaktortemperatur keinen nennenswerten Einfluss auf die Größe hat.

Abstrakt in Englisch

In the present work, the formation of iron oxide nanoparticles from iron-pentacarbonyl in the gasphase was studied experimentally and was compared to computer simulations. Three gasphase reactors, which are different regarding energy tranfer into the reactive gases, were employed: a low-pressure flame reactor, a hot-wall reactor and a microwave reactor. The effects on the growth processes of the particles were studied with a particle-mass-spectrometer. The physical and chemical properties were measued by X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and SQUID magnetometry. Results from the flame reactor have shown that in all cases g-Fe2O3 particles were formed. The single phase particles exhibit superparamagnetic behaviour with a size-depending saturation magnetization and blocking temperature. The flow coordinate was shown to be the most influencing paramter on particle growth in the flame reactor. A change from the burner exit to the probing nozzel in the range from 65 to 120 mm leads to a mass growth of about 180%. Variation of the gas compsition, pressure, and precursor concentration have no distinct influence on the mean particle mass. The comparison with a computer model yields a good agreement to the experimental data. Experiments with the microwave driven reacor showed similar results regarding the phase of the formed particles. The mean particle sizes were between 3 and 5 nm. Besides the precursor concentratrion, the microwave power ist the main size determining factor while the reaction chamber pressure has no influence. Between concentrations of 520 ppm and 2060 ppm, the particle size increases by 20%, with increasing microwave power the particle size decreases. The formation of iron oxide nanpoparticles in the hot-wall reactor could be followed by transmission electron microscopy. Below T = 500°C the particles are a mixture of amorphous and crystallin iron oxide. An increasing precursor concentration as well as reaction chamber pressure leads to an increase in particle size. The tempereature has only a marginal effect on particle size.