nanomaterialien für die additive fertigung - uni-due.de · (1) laser-material-interaction, (2)...

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Betreuer: M. Sc. Tim Hupfeld

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Telefon: 0201/183-6162

Raum: S07 S06 D23

für die Studiengänge NanoEngineering, Chemie, Water Science, Lehramt Chemie

Nanomaterialien für die Additive Fertigung

Additive Manufacturing ist eine Fertigungstechnologie, die mehr und mehr auch in der industriellen

Massenfertigung Anwendung findet. Das selektive Lasersintern (SLS) ist hierbei ein Verfahren, bei dem

Schicht für Schicht 3-dimensionale Strukturen durch Aufschmelzen eines pulverförmigen

Ausgangsstoffes (Polymerer oder Metall) entstehen. Im Bereich der Polymere findet besonders

Polyamid 12 (PA 12) Verwendung. Darüber hinaus gibt es Bestrebungen die stark begrenzte

Materialpalette durch gänzlich neue Materialien zu erweitern. Die Modifikation der Polymerpulver,

z.B. durch Nano-Additive, bietet die Möglichkeit, die Pulvereigenschaften an die Eigenschaften des SLS-

Prozesses oder an die gewünschten Bauteileigenschaften anzupassen. Hierbei stehen die gute

Dispersion der Nanopartikel und eine Reduktion der benötigten Nanopartikelmenge im Vordergrund

der Forschung.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen Nanopartikel mittels gepulster Laserablation in Flüssigkeiten (PLAL)

erzeugt und mit geeigneten Methoden wie Analytischer Scheibenzentrifugation, UV-Vis-Spektroskopie

oder Röntgenbeugung (XRD) charakterisiert werden. Anschließend werden die Nanopartikel auf

Polymerpulvern adsorbiert, wobei eine hohe Dispersion erreicht werden soll. Schwerpunkte der

Untersuchungen sind neben der Kolloidsynthese und der Optimierung des Adsorptionsprozesses auch

eine Untersuchung des Einflusses der Nanopartikel auf das Kristallisationsverhalten der Polymere.

Darüber hinaus ist der Einfluss der Nanopartikel auf die Pulvereigenschaften (Korngröße,

Rieselfähigkeit, optische Eigenschaften) zu untersuchen.

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN

Abbildung 1: Von links nach rechts: Lasergeneriertes Silber-Kolloid, Nanopartikel-Polymer-Pulver für SLS, Elektronenmikroskopische Aufnahmen des Pulvers und Pulver mit Nano-Additieven für verschiedenste Anwendungen.

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Betreuer: M. Sc. Tim Hupfeld


Telefon: 0201/183-6162

Raum: S07 S06 D23

für die Studiengänge Chemie, NanoEngineering, Water Science, Lehramt Chemie

Nanomaterials for additive manufacturing

Additive manufacturing (AM) is increasingly being used for industrial production. For example,

selective laser sintering (SLS) is an process in which 3-dimensional structures are formed layer by layer

by melting a powder (polymer or metal). In most of the applications Polyamide 12 (PA 12) is used, but

there are efforts to expand the limited range of materials to entirely new materials. The modification

of the polymer powders, e.g. by nano-additivation, offers the possibility to adapt the powder

properties to the SLS process or to the desired final part properties. However, in conventional

nanoadditivation processes, such as ball milling, agglomeration of the additive is often a problem. Since

high filling levels always result in a need to adaptat the SLS process, the goal is to increase the

dispersion of the nanoparticles in the polymer powder.

In this work, nanoparticles will be generated by pulsed laser ablation in liquids (PLAL) and characterised

with methods like analytical disk centrifugation, UV-Vis spectroscopy or x-ray diffraction. Thereafter,

the particles will be adsorbed on polymer powders to reach a high dispersity. The focus of this work is

the investigation of the adsorption process and the influence of the nanoparticles on the crystallization

behavior during SLS. In addition, the influence of the additive on the powder properties (grain size,

flowability, optical properties) will be investigated.

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN

Fig. 1: From left to right: Laser Generated Silver Colloid, Ag-nanoparticle-polymer powder for SLS, electron microscopic Image of this powder and polymer powders with various nanoadditives for different Applications.






Betreuer: M. Sc. Alexander Heinemann


Telefon: 0201/183-3807

Raum: S07 S06 D10

für die Studiengänge Chemie, Water Science, NanoEngineering, Lehramt Chemie

Laserbasierte Synthese von Legierungsnanopartikeln für die

Point-of-Care Biodiagnostik

Lateral Flow Assays (LFA), deren bekanntester Vertreter der Schwangerschaftstest ist,

gehören zu den umsatzstärksten pharmazeutischen Point-of-Care-Produkten (POC), die

sowohl in der Medizin als auch in der Nahrungsmittel- und Umweltanalytik Anwendung finden.

Daher ist die Steigerung der Sensitivität und die Optimierung des optischen Eindrucks zur

Verbesserung der vorhandenen Produkte und zur Erschließen weiterer Märkte von großer

Bedeutung. Etablierte Testsysteme verwenden oft mit verschiedenen Biomolekülen

konjugierte Goldnanopartikel (AuNP) als Marker. Daher soll eine Optimierung ausgehend von

diesem Referenzsystem erfolgen. Ein Ansatzpunkt ist dabei die Verwendung von Legierungen

von Gold mit anderen Materialien die zu einer Verbesserung der Sensitivität und des optischen

Eindrucks beitragen können, ohne die gegebenen Eigenschaften negativ zu beeinflussen. Ziel

ist es den optischen Eindruck dieser Nanopartikel im Vergleich zum „Goldstandard“ zu

evaluieren und ein größenkontrolliertes „Upscaling“ der Synthese zu entwickeln, um die

Partikel auch industriell nutzbar zu machen.

Die Legierungsnanopartikel werden über Laserablation sowohl im Batchbetrieb, als auch im

Durchfluss erzeugt. Dies ermöglicht die Synthese hochreiner ligandenfreier Nanopartikel, die

für die Konjugation mit unterschiedlichen Biomolekülen prädestiniert sind. Die Konjugation der

Partikel soll dabei sowohl in-situ als auch ex-situ durchgeführt werden. Ein weiteres

Augenmerk soll dabei auf die Größenkontrolle der Partikel gelegt werden. Die vorwiegend

verwendeten Analysemethoden sind UV-Vis-Spektroskopie, Analytische Scheibenzentrifuge

und Transmissionselektronenmikroskopie.

Schematische Darstellung eines Lateral Flow Assays

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN






Supervisor: M. Sc. Alexander Heinemann


Phone: 0201/183-3807

Room: S07 S06 D10

for courses of study Chemistry, Water Science, NanoEngineering and Teaching

degree Chemistry

Laser based synthesis of alloy nanoparticles for

Point-of-Care biodiagnostics

Lateral Flow Assays (LFA) and their best-known representative, the pregnancy test, are

among the top-selling pharmaceutical point-of-care products (POC), applicable in the fields

of medicine as well as food and environmental diagnostics. Therefore, increasing the

sensitivity and optimizing the visual impression is of great importance in order to improve

existing products and open up additional markets. Established test systems currently apply

differently bio conjugated gold nanoparticles (AuNP) as markers. Therefore, an optimization

of this reference system is highly interesting. One approach in this context could be alloying

gold with other materials, which could contribute to an improvement in sensitivity and the

optical effects. The aim is to evaluate the optical properties of these novel materials in

contrast to the “gold” standard and scale up the size-controlled synthesis of these particles

in order to make them feasible for industrial applications.

The alloy nanoparticles are produced by laser ablation in liquid both in batch operation and in

flow-flow. This allows the synthesis of highly pure ligand-free nanoparticles which are well-

suited for conjugation with different biomolecules. The conjugation of the particles will be

carried out both in situ and ex situ. Another focus will be the size control of the particles. The

predominant analytical methods are UV-Vis spectroscopy, analytical disk centrifuges and

transmission electron microscopy.

Schematic figure of a Lateral Flow Assays

BACHELOR-

RESEARCH-

PROJEKT-

MASTERTHESIS






Betreuer: M. Sc. Alexander Letzel


Telefon: 0201/183-6442

Raum: S07 S06 D20


Online-Reifungskinetik von Einzelpuls-lasergenerierten Nanopartikeln: Einfluss

des Targetmaterials, der umgebenden Flüssigkeit und der Fluenz

Der gepulsten Laserablation in Flüssigkeiten (PLAL) liegen diverse Prozesse zugrunde die

auf sehr kurzen Zeitskalen ablaufen. Dabei handelt es sich um (1) Laser-Material-

Wechselwirkungen, (2) Plasmabildung am Target, (3) Entstehung einer gasgefüllten

Kavitationsblase und deren Oszillation, (4) Reifung der hergestellten Partikel. Da das

Verständnis der Prozesse bei der PLAL von fundamentaler Bedeutung für die

maßgeschneiderte Synthese von Nanopartikeln für industrielle Anwendungen ist, wurden die

Prozesse (1) bis (3) bereits intensiv untersucht. Ziel des hier vorgestellten Projekts ist die

zeitaufgelöste Beobachtung der Nanopartikel nach einem einzelnen Laserpuls. Einzelpulse

bieten die Möglichkeit die Partikel in ihrem natürlichen Zustand zu untersuchen, ohne dass

diese durch weitere Laserpulse verändert werden. Dazu wird ein Experiment aufgebaut,

welches es erlaubt Laser und UV/Vis-Spektrometer simultan zu betreiben. Es soll das

Reifungsverhalten von Gold und dem Oxid Al2CoO4 (Thénards Blau) untersucht und

verglichen werden. (Abb. 1, links).

Abbildung 1. Links: Extinktionsspektren von Au und Al2CoO4 Nanopartikeln. Mitte, Rechts: Optische Spektren und Extinktion von AuNP als Funktion der Anzahl der Laserpulse.

Farbige Materialien sind bestens geeignet, da sich die charakteristischen Peaks solcher

Nanopartikel im Extinktionsspektrum bereits nach einem einzigen Laserpuls nachweisen

lassen (Abb. 1, Mitte). So konnte beispielsweise für AuNP gezeigt werden, dass die

Extinktion nach 10 Pulsen nicht mehr linear mit der Pulsanzahl zunimmt (Abb. 1, rechts).

Die Charakterisierung der Partikel erfolgt primär mit optischen Methoden aber auch weitere

Verfahren wie optische und Elektronenmikroskopie kommen zum Einsatz. Besondere

Bauteile für den experimentellen Aufbau werden am 3D-Drucker hergestellt.

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN





Betreuer: M. Sc. Alexander Letzel


Telefon: 0201/183-6442

Raum: S07 S06 D20

for the courses Chemistry, Water Science, NanoEngineering, Teaching Degree

Chemistry

Online-Ripening kinetics of single pulse laser-ablated nanoparticles: influence

of target material, surrounding liquid and laser fluence

Pulsed laser ablation in liquids (PLAL) is a highly complex phenomenon. The processes are

(1) laser-material-interaction, (2) plasma formation, (3) formation of a gas filled cavitation

bubble and its subsequent oscillation, (4) ripening of synthesized nanoparticles. As

understanding the fundamental process during PLAL is of great importance regarding

custom-made nanoparticles for industrial applications, the processes (1) to (3) have already

been intensively studied. The aim of the presented project is time-resolved observation of

nanoparticle ripening kinetics synthesized from a single nanosecond laser pulse. Single

pulse experiments offer the opportunity of investigating particles in their native state,

unaffected by subsequent laser pulses. Therefore, an experimental setup is build allowing to

simultaneously using the laser system and the UV/Vis spectrometer. In the first part of the

study growth kinetics of gold nanoparticles as model material are investigated. In the second

part, more application relevant oxides like e.g. Al2CoO4 are used (Fig. 1, left).

Figure 1. Left: Extinction spectra of Au and Al2CoO4 nanoparticles. Middle, right: Optical spectra and evaluated data of AuNP as function of number of laser pulses.

Colored materials are advantageous for optical studies as their characteristic peaks allow to

record extinction spectra already after single pulse ablation (Fig. 1, middle). This way it could

be shown e.g. that the increase of extinction is no longer linear to the number of fired laser

pulses above 10 pulses (Fig. 1, right).

Particles characterization is done primary by optical methods. Besides optical and electron

microscopy is used. Special parts of the experimental setup are custom-made by 3D-printing.

BACHELOR-

RESEARCH-

PROJECT-

MASTER-THESIS





Betreuer: M. Sc. Anna Tymoczko


Telefon: 0201/183-3506

Raum: S07 S01 D25


Laserbasierte Synthese von magneto-plasmonischen Fe/Au-Nanopartikeln

für die biomedizinische Anwendung

Für Anwendungen in der Biomedizin ist eine Kernmantel-Ultrastruktur, bestehend aus einem

Eisenkern und einer Goldhülle, relevant, wobei die magnetischen Eigenschaften des Kerns

mit den Plasmonischen Eigenschaften der Hülle kombiniert werden können, z.B. während

der MRI/Optical-Dual-Imaging. Darüber hinaus ermöglicht die Goldschale eine einfache

Biokonjugation über Thiol-Gold-Chemie. Allerdings sind Gold-Eisen-Kern Schale

Nanopartikel sehr mühsam mittels chemischer Kop-Präzipitation und Reverse Mizellen

Methoden zu produzieren, da die Kontaminationen durch Präkursoren in einem zusätzlichen

Schritt entfernt werden müssen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass chemisch synthetisierte

Fe / Au-Nanopartikel instabil sind, da der Eisenkern mit der Zeit oxidiert.

Die gepulste Laserablation in Flüssigkeiten wird zur Erzeugung von Gold-Eisen-Kern-

Schalen-Nanopartikeln direkt aus Eisen-Gold-Legierungs-Targets verwendet. Laserablation

in Flüssigkeiten ist eine etablierte Technik, die die Erzeugung hochreiner Nanopartikel ohne

organische Tenside und Stabilisatoren ermöglicht.

Der Schwerpunkt unserer Arbeit liegt in einem detaillierten Verständnis des

Herstellungsmechanismus der Fe @ Au-Nanopartikel, die in wässrigen und organischen

Medien erzeugt werden. Der Einfluss der Zielzusammensetzung und der flüssigen

Umgebung auf die Ultrastruktur von Nanoalloys wird untersucht. Die Analyse der Ergebnisse

erfolgt durch hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) und

energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX).

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN






Betreuer: M. Sc. Anna Tymoczko


Telefon: 0201/183-3506

Raum: S07 S01 D25


PLAL synthesis of magneto-plasmonic Fe@Au nanoparticles

for biomedical application

For applications in biomedicine a core shell ultrastructure, composed of an iron core and a

gold shell is relevant, where the magnetic properties of the core can be combined with the

plasmonics of the shell e.g. during MRI /optical-dual imaging. Furthermore, the gold shell

allows facile bioconjugation via thiol-gold chemistry. However, gold iron core shell

nanoparticles are very tedious to produce using chemical co-precipitation and reversed

micelle methods as contaminations by precursors have to be removed in an additional step.

Furthermore, chemically synthesized Fe@Au nanoparticles were shown to be unstable as

the iron core oxidizes with the time.

Pulsed laser ablation in liquid is used to generate gold-iron core shell nanoparticles directly

from bulk iron-gold alloy targets. Laser ablation in liquid is an established technique which

allows generation of highly pure nanoparticles without any organic surfactants and

stabilizers. The main focus of our work lies in a detailed understanding of the formation

mechanism of the Fe@Au nanoparticles, generated by pulsed laser ablation in aqueous and

organic media. The influence of the target composition and the liquid environment on

ultrastructure of nanoalloys is investigated. Analysis of the results are established by High

Resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) and energy-dispersive X-Ray

spectroscopy (EDX).

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN






Betreuer: M. Sc. Anna Ziefuß


Telefon: 0201/183-6162

Raum: S07 S06 D23


Synthese von ligandenfreien Goldnanoclustern durch gepulste

Laserfragmentierung und Charakterisierung

ihrer optischen Eigenschaften

Goldcluster können durch ihre geringe Größe (< 2 nm) klar von ihren größeren Vertretern,

den Goldnanopartikeln abgegrenzt werden. Besitzen diese Partikel keine

Oberflächenplasmonenresonanz mehr, wird von Goldnanoclustern gesprochen. Durch ihre

geringe Größe beschreiben sie den Übergang zwischen einem Molekül (diskrete

Energiezustände) und einem Partikel (metallischer Zustand) und sind somit von großer

Bedeutung für die Grundlagenforschung. Goldcluster besitzen besondere elektronische und

optische Eigenschaften. Von besonderem Interesse ist dabei das Auftreten einer

größenabhängigen Fluoreszenz, die sie auch für potentielle Anwendungen z.B. im

„Bioimaging“ hochinteressant macht. Die Herstellung von Goldclustern erfolgt bislang durch

chemische Synthesen. Allerdings sind auf diesem Wege hergestellte Cluster immer mit

Liganden belegt, wobei die Interaktion dieser Liganden mit der Goldoberfläche die

elektronischen und optischen Eigenschaften dieser Cluster prägt. Dagegen sind die

Eigenschaften von vollständig ligandenfreien „nackten“ Clustern verschiedener Größe bisher

kaum erforscht worden.

In dieser Arbeit werden Goldcluster durch laserinduzierte Fragmentierung in Flüssigkeiten

erzeugt. Als Edukt dient dabei ein Kolloid von Nanopartikeln, welches zuvor durch

Laserablation in Flüssigkeit erzeugt wurde. Damit

kann diese Technik als „grüne Synthesemethode“

bezeichnet werden und verzichtet vollständig auf

reduzierende oder stabilisierende

kohlenstoffhaltige Agenzien. Als Resultat können

erstmals vollständig ligandenfreie Nanocluster

generiert werden. Dieses Thema bietet Raum für

mehrere interessante Forschungsprojekte, denn

neben der Identifizierung und Optimierung des

Herstellungsmechanismus besteht auch Bedarf

an der Aufklärung der optischen und

elektronischen Eigenschaften der erzeugten

Goldcluster. Hierbei werden verschiedene Hochleistungslaser für die Synthese verwendet,

wobei die Charakterisierung der Partikel hauptsächlich über UV-Vis und

Fluoreszenzspektroskopie erfolgen soll.

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN






Supervisor: M. Sc. Anna Ziefuß


Phone: 0201/183-6162

Room: S07 S06 D23

for the courses Chemistry, Water Science, NanoEngineering, and Teaching Degree

Chemistry

Synthesis of ligand-free gold nanoclusters by pulsed laser fragmentation

in liquids and characterization of their optical properties

Gold clusters (< 2 nm) can be clearly distinguished from their larger counterparts, the gold

nanoparticles, by their size. In case these particles lose their surface plasmon resonance,

they are called gold nanoclusters. If they are composed of only a few atoms, they are termed

gold atom clusters. Due to their small size they are in the transition regime between

molecules (discrete energy levels) and particles (metallic state) and are therefore of great

interest in fundamental research. Gold clusters have special electronical and optical

properties. Of particular interest is the occurrence of a size-dependent fluorescence, which

makes them highly interesting for potential applications e.g. bio imaging. The generation of

gold clusters has so far been

predominantly carried out by chemical

synthesis. However, clusters derived

from this route are necessarily covered

with surface ligands, while the

interactions of the ligands with the gold

surface rule their electronic and optical

properties. In contrast, the properties of

totally ligand-free “naked” nanoclusters

are almost completely unknown.

In this work, gold nanoclusters are

generated by pulsed laser fragmentation

in liquid. Educt of this synthesis are gold

nanoparticles derived from a process

called laser ablation in liquids which can be referred to as a "green technique" as it does not

require any reducing or stabilizing carbon-containing agents. As a result, this method yields

totally ligand-free nanoparticles for the first time. This topic offers opportunities for multiple

interesting research project as, apart from the identification of the particle formation

mechanism, it also involves elucidation of the optical and electronic properties of the

generated gold nanoclusters. In this work you will primarily work with multiple high power

lasers and will characterize your educts primarily via UV-Vis and fluorescence spectroscopy.

BACHELOR-

RESEARCH-

PROJECT-

MASTER-THESIS






Betreuer: M. Sc. Christoph Mechler


Telefon: 0203/379-8118

Raum: NETZ, 1.17 (Campus Duisburg)


Synthese von Legierungsnanopartikeln durch PLAL

für den Einsatz in der Brennstoffzelle

Im Zuge der Energiewende von fossilen Energieträgern und Kernenergie zu einer nachhaltigen

Energieversorgung gewinnt emissionsfreie Mobilität zunehmend an gesellschaftlicher

Bedeutung. Die Brennstoffzelle steht aufgrund zahlreicher Errungenschaften in den letzten

Jahrzehnten kurz vor ihrer Markteinführung.

Aufgrund seiner hohen katalytischen Aktivität und Stabilität hat sich Platin als die Referenz

etabliert. Trotz der vielen Erfolge in der Katalysatorforschung gibt es noch einige

Herausforderungen zu überwinden. So ist Platin aufgrund seiner Seltenheit ein sehr teures

Edelmetall. Wissenschaftler auf der ganzen Welt erforschen die Möglichkeit die katalytische

Menge von Platin durch Legierungsbildung zu reduzieren.

Die gepulste Laserablation in Flüssigkeiten (PLAL) ist eine hervorragende Lasertechnik mit

der sich kleinste Nanopartikel aus verschiedenen Legierungen herstellen lassen. Durch die

schnelle und unkomplizierte Synthese lassen sich so ligandenfreie Nanopartikel in der

Brennstoffzelle als Katalysator verwenden.

Abbildung 1 Die Elektrokatalyse umfasst die Synthese von Nanopartikel als auch ihre elektrochemische Charakterisierung.

Das Thema bietet die Möglichkeit die lasergenerierten Nanopartikel aus Legierungen für die

verschiedenen Anwendungsgebiete innerhalb der Elektrokatalyse elektrochemisch zu

untersuchen. Ihre Charakterisierung erfolgt dabei hauptsächlich physikochemisch mittels

Zyklovoltammetrie, sowie vielfältigen anderen Untersuchungsmethoden.

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN





Betreuer: M. Sc. Christoph Mechler


Telefon: 0203/379-8118


for the courses Chemistry, Water Science, NanoEngineering, and Teaching Degree Chemistry

Synthesis of Alloy Nanoparticles by PLAL for Fuel Cells

In the course of the energy conversion of fossil fuels and nuclear energy to a sustainable

energy supply, emission-free mobility is becoming increasingly important for society. Due to

numerous achievements in the last few years, the fuel cell is on the brink of market launch.

Due to its high catalytic activity and stability, platinum has established itself as the reference.

Despite the many successes in catalyst research, there are still some challenges to be

overcome. Platinum is a very expensive precious metal because of its scarcity. Scientists

around the world are exploring the possibility to reduce the catalytic amount of platinum by

alloying.

The Pulsed Laser Ablation in Liquids (PLAL) is an excellent laser technique to produce small

nanoparticles from different alloys. Due to the rapid and uncomplicated synthesis, ligand-free

nanoparticles can be obtained to be used as a catalyst in the fuel cell.

Figure 1 The electrocatalysis comprises the synthesis of nanoparticles and their electrochemical investigation.

The topic offers the possibility to electrochemically investigate the laser-generated

nanoparticles of alloys for various fields of application within electrocatalysis. Their

characterization is mainly physico-chemical (by means of cyclovoltammetry), as well as various

other methods of investigation.

BACHELOR-

RESEARCH-

PROJECT-

MASTER-THESIS





Betreuer: M. Sc. Friedrich Waag


Telefon: 0201/183-3750

Raum: S07 S06 D31


Lasergenerierte, nanoskalige Übergangsmetallpartikel

für Anwendungen der heterogenen Katalyse

Die Übergangsmetalle der ersten Reihe, speziell Mangan bis Zink, und ihre Oxide und

Hydroxide erweisen sich in verschiedenen katalytischen Anwendungen als äußerst

vielversprechend. Sie stellen günstige Alternativen gegenüber gängigen Katalysatormetallen

wie beispielsweise Platin, Palladium und Iridium dar. Durch Nanoskalierung lassen sich

erhöhte Reaktivitäten aufgrund der vergrößerten Oberfläche erreichen. Häufig blockieren

jedoch Prekursoren und Nebenprodukte der Syntheseverfahren die Oberflächen der

Nanopartikel und verringern somit ihr Potenzial für katalytische Anwendungen. Die Laser-

ablation oder -fragmentierung bietet hier die Möglichkeit zur Synthese „nackter“ Partikel.

Zusätzlich können in kurzer Zeit Proben vieler Parameterkombinationen erzeugt werden.

Arbeiten in diesem Bereich sind thematisch immer vielseitig, da neben der Synthese der

Katalysatoren auch ihre Erprobung in einer konkreten Reaktion, sowie die Lösung einer

technischen Fragestellung im Fokus stehen. Technische Fragestellungen betreffen beispiels-

weise die Aufskalierung von Syntheseprozessschritten oder die Entwicklung von Prototyp-

reaktoren/-elektroden zur Untersuchung der katalytischen Eignung.

Neben typischer Kolloidanalytik können wir elektrochemische Untersuchungen wie Zyklo-

voltammetrie und Impedanzspektroskopie, sowie die Bandlückenbestimmung mittels diffuser

Reflektion, relevant für photokatalytische Anwendungen, anbieten.

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN

TEM-DF-Aufnahme und EDX-Elementverteilung binärer Nanokatalysatorkette aus Ni und Co






Supervisor: M. Sc. Friedrich Waag


Telephone: 0201/183-3750

Room: S07 S06 D31

for studies in Chemistry, NanoEngineering, Water Science, Lectureship Chemistry

Laser generated nanoparticles of first row transition metals

for heterogeneous catalytic applications

Transition metals of first row, especially manganese to zinc, as wells as their oxides and

hydroxides are promising catalysts for various applications. Compared to typical catalyst

metals like platinum, palladium and iridium they are promising low cost alternatives.

Nanometer scaling of catalysts enables higher activities caused by the increased specific

surface area. Most wet chemical nanoparticle synthesis approaches lead to precursors and/or

synthesis byproducts attaching to particle surfaces decreasing their efficiency in catalytic

applications. Via laser ablation and fragmentation in liquid particles with bare surfaces can be

synthesized. In addition, lots of parameter variations are applicable in a much shorter time than

for other methods.

Theses in this working field are diversified. Beside the synthesis of the catalyst, their testing

for a specific reaction as well as working on technical subjects will be in focus. Technical issues

relate to upscaling of synthesis process steps or the development and optimization of simple

prototype devices for catalyst testing.

We offer typical analytic techniques for investigation of colloid’s properties. Furthermore,

standard electrochemical methods like cyclovoltammetry and impedance spectroscopy are

available. Band gap determination, relevant for photo catalysis, can be proceeded by diffuse

reflection in ultraviolet and visible range of light.

BACHELOR,

SPECIALIZATION,

PROJECT,

MASTER THESIS

TEM-DF micrograph and EDX element mapping of binary Ni and Co nanocatalyst chain






Betreuer: M. Sc. Galina Marzun


Telefon: 0203/379-8116



Adsorption ligandenfreier Nanopartikel auf Trägermaterialien

- Zum Einsatz in der heterogenen Katalyse

Nanopartikel, welche auf einem mikro- oder makroskopischen Trägermaterial abgeschieden

werden, ermöglicht die Kombination der einfachen Handbarkeit des Trägermaterials mit den

besonderen Eigenschaften von Nanopartikeln. Dabei besitzen vor allem die Nanopartikel der

Edelmetalle Gold, Platin oder Palladium eine hohe katalytische Aktivität. Die geträgerten

Nanopartikel bieten demnach eine umfassende und vielversprechende Einsatzmöglichkeiten

in der heterogenen Katalyse. Der Einfluss der Oberflächenladung der einzelnen

Komponenten und der Liganden, die bei chemisch hergestellten Nanopartikel zur

Stabilisierung dienen, spielt beim Adsorptionsprozess der Nanopartikel eine entscheidende

Rolle. Die Generierung von ligandenfreien ermöglicht die Laserablation in Flüssigkeiten.

Dabei können eine Vielfalt von Materialien eingesetzt und kombiniert werden. Die

„Einfachheit“ des Systems gestattet eine einfache Kontrolle des Adsorptionsprozesses.

Abbildung 1: Laserablation in Flüssigkeiten und Materialvielfalt (links) und schematische

Darstellung des Adsorptionsprozesses und unterschiedliche Nanokomposite (rechts).

Im Rahmen einer Bachelor-, Vertiefung- oder Masterarbeit sollen durch Laserabtrag mit

einem Hochenergielaser metallische Nanopartikel in wässrigen oder organischen

Lösungsmittel produziert werden und auf katalytisch relevante Trägermaterialien adsorbiert

werden. Zum Einsatz kommen entweder photokatalytisch relevante Halbleitermaterialien, wie

zum Beispiel TiO2 und ZnO oder Kohlenstoffträger, welche Verwendung in der

Elektrokatalyse finden (zB. Brennstoffzellen). Im Rahmen einer Arbeit sollen die

katalytischen Eigenschaften der auf unterschiedlichen Trägermaterialien abgeschiedenen

lasergenerierten Nanopartikel untersucht und optimiert werden. Hauptaugenmerk fällt dabei

auf die photo- und elektrokatalytische Wasserspaltung.

Die Charakterisierung der generierten Nanopartikel und Nanokomposite erfolgt mit

verschiedenen Methoden der Spektroskopie (dynamische Lichtstreuung, (DR)-UV/Vis, ADC

etc.), Cyclovoltammetrie und Elektronenmikroskopie.

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN




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Betreuer: M. Eng. Marc Labusch


Telefon: 0203/379-8122



Nutzung der Transporteigenschaften überkritischer Fluide zur Nanointegration

in porösen Strukturen bzw. Polymeren

Überkritisches CO2 (scCO2) eignet sich aufgrund der guten Verfügbarkeit, der Ungiftigkeit und der leichten Aufarbeitung (Abtrennung von den Partikeln über Ausgasen) als grünes Lösungsmittel bzw. Hilfsmedium. Oberhalb des kritischen Punktes (73,8 barA/ 31 °C) lassen sich Flüssig- und Gasphase nicht mehr voneinander unterschieden. In diesem überkritischen Zustand hat CO2 die Dichte einer Flüssigkeit, die Viskosität eines Gases und eine geringe Oberflächenspannung und weist demnach hervorragende Transporteigenschaften auf. Durch die geringe Viskosität laufen Diffusionsprozesse wesentlich schneller ab, als in der flüssigen Phase. Gleichzeitig werden die Hohlräume und Poren eines Trägers aufgrund der geringen Oberflächenspannung sehr gut benetzt.

Abbildung 1 Phasendiagramm CO2 (links) und Stoffdaten von scCO2 (120 bar/ 50°C)

Ein grüner Syntheseweg für heterogene Katalysatoren kann über einen in-situ Prozess in überkritischem CO2 realisiert werden. Je nach Interessenschwerpunkt und Umfang können unterschiedliche Fragestellungen aus diesem Themenkomplex für Bachelor-, Vertiefungs-, Projekt- oder Masterarbeit abgeleitet werden.

1.) Bestimmung der Effekte von verschiedenen Versuchsbedingungen der in-situ Synthese in überkritischen CO2 (z. B. Druck, Temperatur, Versuchszeit, Entspannungsgeschwindigkeit, Dispersionszustand etc.).

2.) Die katalytische Aktivität der synthetisierten Komposite soll anhand einer etablierten Testreaktion (Oxidation von CO) bestimmt und optimiert werden.

3.) Die Oxidation von H2S soll als Testreaktion für die katalytische Aktivität etabliert werden.

BACHELOR-

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PROJEKT-

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Betreuer: M. Eng. Marc Labusch


Telefon: 0203/379-8122



Use of the transport properties of supercritical fluids for nanointegration in

porous structures of polymers

Supercritical CO2 (scCO2) is suitable as a green solvent due to its good availability, non-toxicity

and the easy separation process (e.g. separation from particles via degassing). Above the

critical point (73.8 barA / 31 °C), liquid and gas phases can no longer be distinguished from

each other. In a supercritical state, CO2 has the density of a liquid, the viscosity of a gas and

a low surface tension. Supercritical CO2 exhibits excellent transport properties. Due to the low

viscosity, diffusion processes are significantly faster than in the liquid phase. The pores of a

carrier are well wetted due to the small surface tension of the supercritical CO2.

Figure 1. Phase diagram of CO2 (left) and properties of scCO2 (120 bar / 50 °C)

An in-situ process with supercritical CO2 as solvent is an opportunity to realize a green

synthesis for heterogeneous catalysts. Depending on the area of interest and scope, different

questions can be derived from this topic (bachelor, master or project thesis).

1.) Determination of the effects of different test conditions (e.g. pressure, temperature, test

time, dispersions state etc.) on the properties of nanocomposites using a model

system.

2.) The catalytic activity (one or more nanocomposite) will be determined and optimized by

an established test reaction (oxidation of CO).

3.) The oxidation of H2S should be established as a test reaction for the catalytic activity.

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN





Betreuer: M. Sc. Tim Schmitz


Telefon: 0201/183-6162

Raum: S07 S06 D23


Lasergenerierte optisch aktive Yttrium-Eisen-Granat-Nanopartikel

und ihre Anwendung in Nanokompositen

Durch das Einbringen von anorganischen Nanopartikeln in eine Polymermatrix weisen

Nanopartikel-Polymer-Komposite einzigartige Eigenschaften auf, die eine Vielzahl an

Möglichkeiten in der Forschung und Anwendung eröffnen und zu neuen optischen,

mechanischen oder chemischen Materialeigenschaften führen können. Dabei zeigen

Komposite, in denen der Füllstoff (Nanopartikel) nicht homogen verteilt, sondern in Filamenten

angeordnet ist, eine sehr hohe Transparenz.

Ziel dieser Arbeit ist die Synthese von optisch aktiven Nanopartikeln aus Yttrium-Eisen-Granat

durch gepulste Laserablation in Flüssigkeiten. In Anwesenheit eines Magnetfeldes sollen im

Anschluss aus den Partikeln kettenartige Strukturen gebildet und gleichzeitig in eine

Polymermatrix (PMMA) eingebettet werden, sodass hochtransparente optisch aktive

Nanopartikel-Polymer-Komposite entstehen. Neben einer maßgeschneiderten Synthese der

Partikel stehen Untersuchungen im Fokus, die den Einfluss von Partikelgrößenverteilungen

und Elementarzusammensetzungen der Nanopartikel sowie der Viskosität der Polymerlösung

auf die Filamentbildung bestimmen sollen. Auch sollen die magnetischen und optischen

Eigenschaften der makroskopischen Komposite untersucht werden.

Zur Charakterisierung von Partikel stehen verschiedene Methoden, wie die dynamische

Lichtstreuung (DLS), die analytischer Scheibenzentrifugation (ADC) oder die

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM/EDX) und Röntgendiffraktometrie (XRD) zur

Verfügung. UV/Vis-Spektroskopie dient der Analyse der optischen Eigenschaften, wohingegen

die magnetischen Eigenschaften mittels Magnetometrie untersucht werden sollen.

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN

Abbildung 1: Nanokomposit aus in PMMA eingebetteten Filamenten aus Yttrium-Einsen-Granat.

1 cm






Betreuer: M. Sc. Tim Schmitz


Telefon: 0201/183-6162

Raum: S07 S06 D23


Laser generated optically active yttrium-ion-garnet nanoparticles

and their application in nanocomposites

By introducing inorganic nanoparticles into a polymer matrix, nanoparticle-polymer composites

develop unique properties which open up a multitude of possibilities in research and application

and lead to new optical, mechanical or chemical material properties. Furthermore, composites

in which the filler (nanoparticles) is not homogeneously distributed but assembled in filaments

show very high transparency.

The aim of this work is the synthesis of optically active nanoparticles from yttrium-iron garnet

by pulsed laser ablation in liquids (PLAL). In the presence of a magnetic field, chain-like

structures are subsequently formed from the particles and simultaneously embedded in a

polymer matrix (PMMA), leading to highly transparent optically active nanocomposites. In

addition to a tailor-made synthesis of the particles, investigations are focused on the influence

of particle size distributions and elemental composition of the nanoparticles as well as the

viscosity of the polymer solution on the filament formation. The magnetic and optical properties

of the macroscopic composites should also be investigated.

Various methods such as dynamic light scatter (DLS), analytical disc centrifugation (ADC),

transmission electron microscopy (TEM / EDX) and X-ray diffraction (XRD) are available for

the characterization of the nanoparticles. UV-Vis spectroscopy is used to analyse the optical

properties, while the magnetic properties are to be investigated by means of magnetometry.

BACHELOR-

VERTIEFUNGS-

PROJEKT-

MASTERARBEITEN

Abbildung 1: Nanocomposite made of yttrium-ion-garnet nanoparticles embedded into a PMMA film.

1 cm




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