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Janzen Christian :
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
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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.
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