SAXS and UV-Vis combined to Quick-XAFS monitoring of ZnO nanoparticles formation and growth

Time-resolved X-ray absorption-fine structure (Quick-XAFS) and UV-Vis absorption spectroscopies were combined for monitoring simultaneously the time evolution of Zn-based species and ZnO quantum dot (Qdot) formation and growth during the sol-gel synthesis from zinc oxy-acetate precursor solution. The time evolution of the nanostructural features of colloidal suspension was independently monitored in situ by small angle X-ray scattering (SAXS). In both cases, the monitoring was initialized just after the addition of NaOH solution (B = [OH]/[Zn] = 0.5) to the precursor solution at 40 degrees C. Combined time-resolved Quick-XAFS and UV-Vis data showed that the formation of ZnO colloids from the zinc oxy-acetate consumption achieves a quasi-steady-state chemical equilibrium in less than 200s. Afterwards, the comparison of the ZnO Qdots size and Guinier gyration radius evidences a limited aggregation process coupled to the Qdots growth. The analysis of the experimental results demonstrates that the nanocrystal coalescence and Ostwald ripening control the kinetics of the Qdot growth.

Growth kinetics of tin oxide nanocrystals in colloidal suspensions under hydrothermal conditions

Colloidal suspensions of tin oxide nanocrystals were synthesized at room temperature by the hydrolysis reaction of tin chloride (II), in an ethanolic solution. The coarsening kinetics of such nanocrystals was studied by submitting the as-prepared suspensions to hydrothermal treatments at temperatures of 100, 150 and 200 degrees C for periods between 60 and 12,000 min. Transmission electron microscopy (TEM) was used to characterize the samples (i.e. distribution of nanocrystal size, average particle radius and morphology). The results show that the usual Ostwald ripening coarsening mechanism does not fit well the experimental data, which is an indicative that this process is not significant for SnO2 nanocrystals, in the studied experimental conditions. The morphology evolution of the nanocrystals upon hydrothermal treatment indicates that growth by oriented attachment (OA) should be significant. A kinetic model that describes OA growth is successfully applied to fit the data. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Structural refinement and photoluminescence properties of irregular cube-like (Ca-1_Cu-x(x))TiO3 microcrystals synthesized by the microwave-hydrothermal method

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

A new processing method of CaZn2(OH)(6)center dot 2H(2)O powders: Photoluminescence and growth mechanism

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Cluster Coordination and Photoluminescence Properties of alpha-Ag2WO4 Microcrystals

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Structure and growth mechanism of CuO plates obtained by microwave-hydrothermal without surfactants

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Microstructural development of ZnO varistor during reactive liquid phase sintering

The microstructural evolution, grain growth and densification for the varistor systems ZnO-Bi2O3 (ZB), ZnO-Bi2O3-Sb2O3 (ZBS), ZnO-Bi2O3-Sb2O3-MnO-Cr 2O3-CoO (ZBSCCM) were studied using constant heating rate sintering, scanning electron microscopy (SEM) and in situ phase formation measurement by high temperature X-ray diffraction (HT-XRD). The results showed that the densifying process is controlled by the formation and decomposition of the Zn2Bi3Sb3O14 pyrochlore (PY) phase for the ZBS and ZBSCCM systems. The addition of transition metals (ZBSCCM system) alters the formation and decomposition reaction temperatures of the pyrochlore phase and the morphology of the Zn7Sb2O12 spinel phase. Thus, the spinel grains act as inclusions and decrease the ZnO grain growth rate. Spinel grain growth kinetics in the ZBSCCM system showed an n value of 2.6, and SEM and HT-XRD results indicate two grain growth mechanisms based on coalescence and Ostwald ripening. © 1996 Chapman & Hall.

Structural refinement and photoluminescence properties of cube-like (Ca 1-xCu x)TiO 3 crystals synthesized by the microwave-hydrothermal method

In this work, (Ca 1-xCu x)TiO 3 crystals with (x = 0, 0.01 and 0.02), labeled as CTO, CCTO1 and CCTO2, were synthesized by the microwave-hydrothermal method at 140°C for 32 min. XRD patterns (Fig. 1), Rietveld refinement and FT-Raman spectroscopy indicated that these crystals present orthorhombic structure Pbnm. Micro-Raman and XANES spectra suggested that the substitution of Ca by Cu in A-site promoted a displacement of the [TiO6]-[TiO6] clusters adjacent from its symmetric center, which leads distortions on the [CaO 12] clusters neighboring and consequently cause the strains into the CaTiO3 lattice. FE-SEM images showed that these crystals have an irregular shape as cube like probably indicating an Ostwald-ripening and self-assemble as dominant mechanisms to crystals growth. The powders presented an intense PL blue-emission.

Estudo das propriedades fotoluminescentes de 'CA''ZN IND.2''(OH) IND.6'.2'H IND.2O' obtidos a partir do método hidrometal-microondas

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Second Phase Precipitation in Ultrafine-grained Ferrite Steel

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Cluster Coordination and Photoluminescence Properties of alpha-Ag2WO4 Microcrystals

In this paper, we report our initial research to obtain hexagonal rod-like elongated silver tungstate (alpha-Ag2WO4) microcrystals by different methods [sonochemistry (SC), coprecipitation (CP), and conventional hydrothermal (CH)] and to study their cluster coordination and optical properties. These microcrystals were structurally characterized by X-ray diffraction (XRD), Rietveld refinements, Fourier transform infrared (FT-IR), X-ray absorption near-edge structure (XANES), and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopies. The shape and average size of these alpha-Ag2WO4 microcrystals were observed by field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM). The optical properties of these microcrystals were investigated by ultraviolet-visible (UV-vis) spectroscopy and photoluminescence (PL) measurements. XRD patterns and Rietveld refinement data confirmed that alpha-Ag2WO4 microcrystals have an orthorhombic structure. FT-IR spectra exhibited four IR-active modes in a range from 250 to 1000 cm(-1). XANES spectra at the W L-3-edge showed distorted octahedral [WO6] clusters in the lattice, while EXAFS analyses confirmed that W atoms are coordinated by six O atoms. FE-SEM images suggest that the alpha-Ag2WO4 microcrystals grow by aggregation and the Ostwald ripening process. PL properties of alpha-Ag2WO4 microcrystals decrease with an increase in the optical band-gap values (3.19-3.23 eV). Finally, we observed that large hexagonal rod-like alpha-Ag2WO4 microcrystals prepared by the SC method exhibited a major PL emission intensity relative to alpha-Ag2WO4 microcrystals prepared by the CP and CH methods.

Nanopartikelcharakterisierung: Untersuchung des Retentionsverhaltens in der AF-FFF und der bimodalen Größenverteilung sauer katalysierter Poly(organosiloxan)-Dispersionen

Polymere Hohlstrukturen eignen sich um eine große Anzahl an Gastmolekülen zu verkapseln und bieten somit interessante Anwendungsmöglichkeiten, z.B. im Bereich kontrollierter Transportsysteme. Solche wohl definierten Strukturen lassen sich mittels des Sol-Gel-Prozesses durch Hydrolyse und Kondensation von Dialkoxydialkyl- und Trialkoxyalkylsilanen in wässriger Dispersion in Gegenwart von Tensiden synthetisieren. Die Methode ermöglicht den Aufbau verschiedener Kern-Schale-Systeme, inklusive Hohlkugelarchitekturen, mit Durchmessern von 10-100 nm. Abhängig von den eingestellten Parametern wird dabei eine bimodale Größenverteilung der Partikel beobachtet. Die bimodalen Proben wurden mittels der circularen asymmetrischen Fluss Feld-Fluss Fraktionierung (CAFFFE) fraktioniert. NMR-Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Ursache der bimodalen Verteilung in der Synthese der Kerndispersion zu liegen scheint. MALDI-TOF-MS und GC-Messungen zeigen, dass der Kern der größeren Partikel ausschließlich aus zyklischen Kondensationsprodukten besteht, während im Kernmaterial der kleineren Partikel zusätzlich noch lineare Polydimethylsiloxan-Ketten vorhanden sind. Unter der Annahme, dass PDMS als Ultrahydrophob wirkt, lässt sich die Ostwaldreifung als Ursache der Bimodalität ausmachen. Eine Erhöhung des PDMS-Anteils, der zur Stabilisierung gegen den Reifungsprozess notwendig ist, führt zu einer monomodalen Verteilung der erhaltenen Partikel.

Synthese und Charakterisierung von Polymethylmethacrylat (PMMA)-Silika-Komposit-Partikeln und fluorierten Nanopartikeln unter Verwendung des Miniemulsionsprozesses

In der vorliegenden Dissertation wurden zwei verschiedene Fragestellungen bearbeitet. Zum einen wurde im Rahmen des Schwerpunktprojektes „Kolloidverfahrenstechnik“ und in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Heike Schuchmann vom KIT in Karlsruhe die Verkapselung von Silika-Nanopartikeln in eine PMMA-Hülle durch Miniemulsionspolymerisation entwickelt und der Aufskalierungsprozess unter Verwendung von Hochdruckhomogenisatoren vorangetrieben. Zum anderen wurden verschiedene fluorierte Nanopartikel durch den Miniemulsionsprozess generiert und ihr Verhalten in Zellen untersucht.rnSilika-Partikel konnten durch Miniemulsionspolymerisation in zwei unterschiedlichen Prozessen erfolgreich verkapselt werden. Bei der ersten Methode wurden zunächst modifizierte Silika-Partikel in einer MMA-Monomerphase dispergiert und anschließend durch den normalen Miniemulsionsprozess Silika-beladene Tröpfchen generiert. Diese konnten zu Komposit-Partikeln polymerisiert werden. Bei der Verkapselung durch den Fission/Fusion Prozess wurden die hydrophobisierten Silika-Partikel durch Fission und Fusion Prozesse in schon vorhandene Monomertröpfchen eingebracht, welche hinterher polymerisiert wurden. Um hydrophiles Silika in einem hydrophoben Monomer zu dispergieren, musste zunächst eine Modifizierung der Silika-Partikel stattfinden. Dies geschah unter anderem über eine chemische Anbindung von 3-Methacryloxypropyltri-methoxysilan an der Oberfläche der Silika-Partikel. Des Weiteren wurden die hydrophilen Silika-Partikel durch Adsorption von CTMA-Cl physikalisch modifiziert. Unter anderem durch die Variation des Verkapselungsprozesses, der Silika-Menge, der Tensidart und –menge und der Comonomere konnten Komposit-Partikel mit unterschiedlichen Morphologien, Größen, und Füllgraden erhalten werden.rnFluorierte Nanopartikel wurden erfolgreich über den Prozess der Miniemulsionspolymerisation synthetisiert. Als Monomere dienten dabei fluorierte Acrylate, fluorierte Methacrylate und fluoriertes Styrol. Es war möglich aus jeder dieser drei Gruppen an Monomeren fluorierte Nanopartikel herzustellen. Für genauere Untersuchungen wurden 2,3,4,5,6-Pentafluorstyrol, 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-Heptadecafluorodecyl-methacrylat und 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecylacrylat als Monomere ausgewählt. Als Hydrophob zur Unterdrückung der Ostwaldreifung wurde Perfluromethyldecalin eingesetzt. Die stabilsten Miniemulsionen wurden wiederum mit den ionischen Tensid SDS generiert. Mit steigendem Gehalt an SDS gelöst in der kontinuierlichen Phase, wurde eine Verkleinerung der Partikelgröße festgestellt. Neben den Homopolymerpartikeln wurden auch Copolymerpartikel mit Acrylsäure erfolgreich synthetisiert. Zudem wurde noch das Verhalten der fluorierten Partikel in Zellen überprüft. Die fluorierten Partikel wiesen ein nicht toxisches Verhalten vor. Die Adsorption von Proteinen aus Humanem Serum wurde über ITC Messungen untersucht. rnSomit konnte gezeigt werden, dass die Technik der Miniemulsionspolymerisation eine abwechslungsreiche und effektive Methode ist, um Hybridnanopartikel mit verschiedenen Morphologien und oberflächenfunktionalisierte Nanopartikel erfolgreich zu generieren.rn

Wet chemistry synthesis towards nanostructures of thermoelectric antimonides

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von nanostrukturierten Antimoniden, wobei die folgenden beiden Themen bearbeitet wurden: rnAus chemischer Sicht wurden neue Synthesewege entwickelt, um Nanopartikel der Verbindungen in den binären Systemen Zn-Sb und Fe-Sb herzustellen (Zn4Sb3, ZnSb, FeSb2, Fe1+xSb). Anders als in konventionellen Festkörperreaktionen, die auf die Synthese von Bulk-Materialien oder Einkristallen zielen, muss die Synthese von Nanopartikeln Agglomerate und Ostwald-Wachstum vermeiden. Daher benötigen annehmbare Reaktionszeiten und vergleichsweise tiefe Reaktionstemperaturen kurze Diffusionswege und tiefe Aktivierungsbarrieren. Demzufolge bedient sich die Synthese der Reaktion von Antimon-Nanopartikeln und geeigneten molekularen oder nanopartikulären Edukten der entsprechenden Übergangsmetalle. Zusätzlich wurden anisotrope ZnSb Strukturen synthetisiert, indem eine Templat-Synthese mit Hilfe von anodisierten Aluminiumoxid- oder Polycarbonat-Membranen angewandt wurde. rnDie erhaltenen Produkte wurden hauptsächlich durch Röntgen-Diffraktion und Elektronenmikroskopie untersucht. Die Auswertung der Pulver Röntgendiffraktions-Daten stellte eine Herausforderung dar, da die Nanostrukturierung und die Anwesenheit von mehreren Phasen zu verbreiterten und überlagernden Reflexen führen. Zusätzliche Fe-Mößbauer Messungen wurden im Falle der Fe-Sb Produkte vorgenommen, um detailliertere Informationen über die genaue Zusammensetzung zu erhalten. Die erstmals hergestellte Phase Zn1+xSb wurde einer detaillierten Kristallstrukturanalyse unterzogen, die mit Hilfe einer neuen Diffraktionsmethode, der automatisierten Elektronen Diffraktions Tomographie, durchgeführt wurde.rnrnAus physikalischer Sicht sind Zn4Sb3, ZnSb und FeSb2 interessante thermoelektrische Materialien, die aufgrund ihrer Fähigkeit thermische in elektrische Energie umzuwandeln, großes Interesse geweckt haben. Nanostrukturierte thermoelektrische Materialien zeigen dabei eine höhere Umwandlungseffizienz zu erhöhen, da deren thermische Leitfähigkeit herabgesetzt ist. Da thermoelektrische Bauteile aus dichten Bulk-Materialien gefertigt werden, spielte die Verfestigung der synthetisierten nanopartikulären Pulver eine große Rolle. Die als „Spark Plasma Sintering“ bezeichnete Methode wurde eingesetzt, um die Proben zu pressen. Dies ermöglicht schnelles Heizen und Abkühlen der Probe und kann so das bei klassischen Heißpress-Methoden unvermeidliche Kristallitwachstum verringern. Die optimalen Bedingungen für das Spark Plasma Sintern zu finden, ist Inhalt von bestehender und weiterführender Forschung. rnEin Problem stellt die Stabilität der Proben während des Sinterns dar. Trotz des schnellen Pressens wurde eine teilweise Zersetzung im Falle des Zn1+xSb beobachtet, wie mit Hilfe von Synchrotrondiffraktionsuntersuchungen aufgedeckt wurde. Morphologie und Dichte der verschiedenen verfestigten Materialien wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie und Lasermikroskopie bestimmt. Die Gitterdynamik wurde mit Hilfe von Wärmekapazitätsmessungen- und inelastischer Kern-Streuung untersucht. Die Wärmeleitfähigkeit der nanostrukturierten Materialien ist im Vergleich zu den Festkörpern ist drastisch reduziert - im Falle des FeSb2 um mehr als zwei Größenordnungen. Abhängig von der Zusammensetzung und mechanischen Härte wurden für einen Teil der verfestigten Nanomaterialien die thermoelektrische Eigenschaften, wie Seebeck Koeffizient, elektrische und Wärmeleitfähigkeit, gemessen.rn

Microwave-assisted wet chemical (MAWC) synthesis of lithium iron phosphate

LiFePO4 is a Co-free battery material. Its advantages of low cost, non-toxic and flat discharge plateau show promising for vehicle propulsion applications. A major problem associated with this material is its low electrical conductivity. Use of nanosized LiFePO4 coated with carbon is considered a solution because the nanosized particles have much shorter path for L+ ions to travel from the LiFePO4 crystal lattice to electrolytes. As other nano material powders, however, nano LiFePO4 could have processing and health issues. In order to achieve high electrical conductivity while maintaining a satisfactory manufacturability, the particles should possess both of the nano- and the microcharacteristics correspondingly. These two contradictory requirements could only be fulfilled if the LiFePO4 powders have a hierarchical structure: micron-sized parent particles assembled by nanosized crystallites with appropriate electrolyte communication channels. This study addressed the issue by study of the formation and development mechanisms of the LiFePO4 crystallites and their microstructures. Microwaveassisted wet chemical (MAWC) synthesis approach was employed in order to facilitate the evolvement of the nanostructures. The results reveal that the LiFePO4 crystallites were directly nucleated from amorphous precursors by competition against other low temperature phases, Li3PO4 and Fe3(PO4)2•8H2O. Growth of the crystalline LiFePO4 particles went through oriented attachment first, followed by revised Ostwald ripening and then recrystallization. While recrystallization played the role in growth of well crystallized particles, oriented attachment and revised Ostwald ripening were responsible for formation of the straight edge and plate-like shaped LiFePO4 particles comprised of nanoscale substructure. Oriented attachment and revised Ostwald ripening seemed to be also responsible for clustering the plate-like LiFePO4 particles into a high-level aggregated structure. The finding from this study indicates a hope for obtaining the hierarchical structure of LiFePO4 particles that could exhibit the both micro- and nano- scale characteristics. Future study is proposed to further advance the understanding of the structural development mechanisms, so that they can be manipulated for new LiFePO4 structures ideal for battery application.