Simulations of charge transport in organic compounds

To aid the design of organic semiconductors, we study the charge transport properties of organic liquid crystals, i.e. hexabenzocoronene and carbazole macrocycle, and single crystals, i.e. rubrene, indolocarbazole and benzothiophene derivatives (BTBT, BBBT). The aim is to find structure-property relationships linking the chemical structure as well as the morphology with the bulk charge carrier mobility of the compounds. To this end, molecular dynamics (MD) simulations are performed yielding realistic equilibrated morphologies. Partial charges and molecular orbitals are calculated based on single molecules in vacuum using quantum chemical methods. The molecular orbitals are then mapped onto the molecular positions and orientations, which allows calculation of the transfer integrals between nearest neighbors using the molecular orbital overlap method. Thus we obtain realistic transfer integral distributions and their autocorrelations. In case of organic crystals the differences between two descriptions of charge transport, namely semi-classical dynamics (SCD) in the small polaron limit and kinetic Monte Carlo (KMC) based on Marcus rates, are studied. The liquid crystals are investigated solely in the hopping limit. To simulate the charge dynamics using KMC, the centers of mass of the molecules are mapped onto lattice sites and the transfer integrals are used to compute the hopping rates. In the small polaron limit, where the electronic wave function is spread over a limited number of neighboring molecules, the Schroedinger equation is solved numerically using a semi-classical approach. The results are compared for the different compounds and methods and, where available, with experimental data. The carbazole macrocycles form columnar structures arranged on a hexagonal lattice with side chains facing inwards, so columns can closely approach each other allowing inter-columnar and thus three-dimensional transport. When taking only intra-columnar transport into account, the mobility is orders of magnitude lower than in the three-dimensional case. BTBT is a promising material for solution-processed organic field-effect transistors. We are able to show that, on the time-scales of charge transport, static disorder due to slow side chain motions is the main factor determining the mobility. The resulting broad transfer integral distributions modify the connectivity of the system but sufficiently many fast percolation paths remain for the charges. Rubrene, indolocarbazole and BBBT are examples of crystals without significant static disorder. The high mobility of rubrene is explained by two main features: first, the shifted cofacial alignment of its molecules, and second, the high center of mass vibrational frequency. In comparsion to SCD, only KMC based on Marcus rates is capable of describing neighbors with low coupling and of taking static disorder into account three-dimensionally. Thus it is the method of choice for crystalline systems dominated by static disorder. However, it is inappropriate for the case of strong coupling and underestimates the mobility of well-ordered crystals. SCD, despite its one-dimensionality, is valuable for crystals with strong coupling and little disorder. It also allows correct treatment of dynamical effects, such as intermolecular vibrations of the molecules. Rate equations are incapable of this, because simulations are performed on static snapshots. We have thus shown strengths and weaknesses of two state of the art models used to study charge transport in organic compounds, partially developed a program to compute and visualize transfer integral distributions and other charge transport properties, and found structure-mobility relations for several promising organic semiconductors.

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Untersuchungen von Aerosolpartikeln und Wolkenresidualpartikeln mittels Einzelpartikel-Massenspektrometrie und optischen Methoden

Atmosphärische Partikel beeinflussen das Klima durch Prozesse wie Streuung, Reflexion und Absorption. Zusätzlich fungiert ein Teil der Aerosolpartikel als Wolkenkondensationskeime (CCN), die sich auf die optischen Eigenschaften sowie die Rückstreukraft der Wolken und folglich den Strahlungshaushalt auswirken. Ob ein Aerosolpartikel Eigenschaften eines Wolkenkondensationskeims aufweist, ist vor allem von der Partikelgröße sowie der chemischen Zusammensetzung abhängig. Daher wurde die Methode der Einzelpartikel-Laserablations-Massenspektrometrie angewandt, die eine größenaufgelöste chemische Analyse von Einzelpartikeln erlaubt und zum Verständnis der ablaufenden multiphasenchemischen Prozesse innerhalb der Wolke beitragen soll.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde zur Charakterisierung von atmosphärischem Aerosol sowie von Wolkenresidualpartikel das Einzelpartikel-Massenspektrometer ALABAMA (Aircraft-based Laser Ablation Aerosol Mass Spectrometer) verwendet. Zusätzlich wurde zur Analyse der Partikelgröße sowie der Anzahlkonzentration ein optischer Partikelzähler betrieben. rnZur Bestimmung einer geeigneten Auswertemethode, die die Einzelpartikelmassenspektren automatisch in Gruppen ähnlich aussehender Spektren sortieren soll, wurden die beiden Algorithmen k-means und fuzzy c-means auf ihrer Richtigkeit überprüft. Es stellte sich heraus, dass beide Algorithmen keine fehlerfreien Ergebnisse lieferten, was u.a. von den Startbedingungen abhängig ist. Der fuzzy c-means lieferte jedoch zuverlässigere Ergebnisse. Darüber hinaus wurden die Massenspektren anhand auftretender charakteristischer chemischer Merkmale (Nitrat, Sulfat, Metalle) analysiert.rnIm Herbst 2010 fand die Feldkampagne HCCT (Hill Cap Cloud Thuringia) im Thüringer Wald statt, bei der die Veränderung von Aerosolpartikeln beim Passieren einer orographischen Wolke sowie ablaufende Prozesse innerhalb der Wolke untersucht wurden. Ein Vergleich der chemischen Zusammensetzung von Hintergrundaerosol und Wolkenresidualpartikeln zeigte, dass die relativen Anteile von Massenspektren der Partikeltypen Ruß und Amine für Wolkenresidualpartikel erhöht waren. Dies lässt sich durch eine gute CCN-Aktivität der intern gemischten Rußpartikel mit Nitrat und Sulfat bzw. auf einen begünstigten Übergang der Aminverbindungen aus der Gas- in die Partikelphase bei hohen relativen Luftfeuchten und tiefen Temperaturen erklären. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass bereits mehr als 99% der Partikel des Hintergrundaerosols intern mit Nitrat und/oder Sulfat gemischt waren. Eine detaillierte Analyse des Mischungszustands der Aerosolpartikel zeigte, dass sich sowohl der Nitratgehalt als auch der Sulfatgehalt der Partikel beim Passieren der Wolke erhöhte. rn

Oxide thermoelectrics via a glass-ceramic route

Thermoelektrizität beschreibt die reversible Beeinflussung und Wechselwirkung von Elektrizität und Temperatur T in Systemen abseits des thermischen Gleichgewichtes. In diesen führt ein Temperaturgradient entlang eines thermoelektrischen Materials zu einem kontinuierlichen Ungleichgewicht in der Energieverteilung der Ladungsträger. Dies hat einen Diffusionsstrom der energiereichen Ladungsträger zum kalten Ende und der energiearmen Ladungsträger zum heißen Ende zur Folge. Da in offenen Stromkreisen kein Strom fließt, wird ein Ungleichgewicht der Ströme über das Ausbilden eines elektrischen Feldes kompensiert. Die dadurch entstehende Spannung wird als Seebeck Spannung bezeichnet. Über einen geeigneten Verbraucher, folgend aus dem Ohm'schen Gesetz, kann nun ein Strom fließen und elektrische Energie gewonnen werden. Den umgekehrten Fall beschreibt der sogenannte Peltier Effekt, bei dem ein Stromfluss durch zwei unterschiedliche miteinander verbundene Materialien ein Erwärmen oder Abkühlen der Kontaktstelle zur Folge hat. Die Effizienz eines thermoelektrischen Materials kann über die dimensionslose Größe ZT=S^2*sigma/kappa*T charakterisiert werden. Diese setzt sich zusammen aus den materialspezifischen Größen der elektrischen Leitfähigkeit sigma, der thermischen Leitfähigkeit kappa und dem Seebeck Koeffizienten S als Maß der erzeugten Spannung bei gegebener Temperaturdifferenz. Diese Arbeit verfolgt den Ansatz glaskeramische Materialien mit thermoelektrischen Kristallphasen zu synthetisieren, sie strukturell zu charakterisieren und ihre thermoelektrischen Eigenschaften zu messen, um eine Struktur-Eigenschaft Korrelation zu erarbeiten. Hierbei werden im Detail eine elektronenleitende (Hauptphase SrTi_xNb_{1-x}O_3) sowie eine löcherleitende Glaskeramik (Hauptphase Bi_2Sr_2Co_2O_y) untersucht. Unter dem Begriff Glaskeramiken sind teilkristalline Materialien zu verstehen, die aus Glasschmelzen durch gesteuerte Kristallisation hergestellt werden können. Über den Grad der Kristallisation und die Art der ausgeschiedenen Spezies an Kristallen lassen sich die physikalischen Eigenschaften dieser Systeme gezielt beeinflussen. Glaskeramiken bieten, verursacht durch ihre Restglasphase, eine niedrige thermische Leitfähigkeit und die Fermi Energie lässt sich durch Dotierungen in Richtung des Leitungs- oder Valenzbands verschieben. Ebenso besitzen glaskeramische Materialien durch ihre Porenfreiheit verbesserte mechanische Eigenschaften gegenüber Keramiken und sind weniger anfällig für den Einfluss des Sauerstoffpartialdruckes p_{O_2} auf die Parameter. Ein glaskeramisches und ein gemischt keramisch/glaskeramisches thermoelektrisches Modul aus den entwickelten Materialien werden konzipiert, präpariert, kontaktiert und bezüglich ihrer Leistung vermessen.

Methoden zur Analyse, Interpretation und Modellierung des elektrischen Widerstandes von archäologischen Steinstrukturen

In der Archäologie werden elektrische Widerstandsmessungen routinemäßig zur Prospektion von Fundstellen eingesetzt. Die Methode ist kostengünstig, leicht anwendbar und liefert in den meisten Fällen zuverlässige und leicht zu interpretierende Ergebnisse. Dennoch kann die Methode die archäologischen Strukturen in manchen Fällen nur teilweise oder gar nicht abbilden, wenn die bodenphysikalischen und bodenchemischen Eigenschaften des Bodens und der archäologischen Strukturen dies nicht zulassen. Der spezifische elektrische Widerstand wird durch Parameter wie Wassergehalt, Bodenstruktur, Bodenskelett, Bodentextur, Salinität und Bodentemperatur beeinflusst. Manche dieser Parameter, wie z.B. der Wassergehalt und die Bodentemperatur, unterliegen einer saisonalen Veränderung. Die vorliegende Arbeit untersucht den spezifischen elektrischen Widerstand von archäologischen Steinstrukturen und evaluiert die Möglichkeit, auf Grundlage von Geländemessungen und Laboranalysen archäologische Strukturen und Böden als numerische Modelle darzustellen. Dazu wurde eine Kombination von verschiedenen bodenkundlichen, geoarchäologischen und geophysikalischen Methoden verwendet. Um archäologische Strukturen und Bodenprofile als numerische Widerstandsmodelle darstellen zu können, werden Informationen zur Geometrie der Strukturen und ihren elektrischen Widerstandswerten benötigt. Dabei ist die Qualität der Hintergrundinformationen entscheidend für die Genauigkeit des Widerstandsmodells. Die Geometrie der Widerstandsmodelle basiert auf den Ergebnissen von Rammkernsondierungen und archäologische Ausgrabungen. Die an der Ausbildung des elektrischen Widerstands beteiligten Parameter wurden durch die Analyse von Bodenproben gemessen und ermöglichen durch Pedotransfer-Funktion, wie die Rhoades-Formel, die Abschätzung des spezifischen elektrischen Widerstandes des Feinbodens. Um den Einfluss des Bodenskeletts auf den spezifischen elektrischen Widerstand von Bodenprofilen und archäologischen Strukturen zu berechnen, kamen die Perkolationstheorie und die Effective Medium Theory zum Einsatz. Die Genauigkeit und eventuelle Limitierungen der Methoden wurden im Labor durch experimentelle Widerstandsmessungen an ungestörten Bodenproben und synthetischen Materialien überprüft. Die saisonale Veränderung des Wassergehalts im Boden wurde durch numerische Modelle mit der Software HYDRUS simuliert. Die hydraulischen Modelle wurden auf Grundlage der ermittelten bodenkundlichen und archäologischen Stratigraphie erstellt und verwenden die Daten von lokalen Wetterstationen als Eingangsparameter. Durch die Kombination der HYDRUS-Ergebnisse mit den Pedotransfer-Funktionen konnte der Einfluss dieser saisonalen Veränderung auf die Prospektionsergebnisse von elektrischen Widerstandsmethoden berechnet werden. Die Ergebnisse der Modellierungsprozesse wurden mit den Geländemessungen verglichen. Die beste Übereinstimmung zwischen Modellergebnissen und den Prospektionsergebnissen konnte für die Fallstudie bei Katzenbach festgestellt werden. Bei dieser wurden die Modelle auf Grundlage von archäologischen Grabungsergebnissen und detaillierten bodenkundlichen Analysen erstellt. Weitere Fallstudien zeigen, dass elektrische Widerstandsmodelle eingesetzt werden können, um den Einfluss von ungünstigen Prospektionsbedingungen auf die Ergebnisse der elektrischen Widerstandsmessungen abzuschätzen. Diese Informationen unterstützen die Planung und Anwendung der Methoden im Gelände und ermöglichen eine effektivere Interpretation der Prospektionsergebnisse. Die präsentierten Modellierungsansätze benötigen eine weitere Verifizierung durch den Vergleich der Modellierungsergebnisse mit detailliertem geophysikalischem Gelände-Monitoring von archäologischen Fundstellen. Zusätzlich könnten elektrische Widerstandsmessungen an künstlichen Mauerstrukturen unter kontrollierten Bedingungen zur Überprüfung der Modellierungsprozesse genutzt werden.

Excited-state dynamics in donor-acceptor systems for energy conversion

In dieser Arbeit werden die Dynamiken angeregter Zustände in Donor-Akzeptorsystemen für Energieumwandlungsprozesse mit ultraschneller zeitaufgelöster optischer Spektroskopie behandelt. Der Hauptteil dieser Arbeit legt den Fokus auf die Erforschung der Photophysik organischer Solarzellen, deren aktive Schichten aus diketopyrrolopyrrole (DPP) basierten Polymeren mit kleiner Bandlücke als Elektronendonatoren und Fullerenen als Elektronenakzeptoren bestehen. rnEin zweiter Teil widmet sich der Erforschung von künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren, basierend auf Porphyrinen, Quinonen und Ferrocenen, die jeweils als Lichtsammeleinheit, Elektronenakzeptor beziehungsweise als Elektronendonatoren eingesetzt werden, um langlebige ladungsgetrennte Zustände zu erzeugen.rnrnZeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie und transiente Absorptionsspektroskopie haben gezeigt, dass Singulettexzitonenlebenszeiten in den Polymeren PTDPP-TT und PFDPP-TT Polymeren kurz sind (< 20 ps) und dass in Mischungen der Polymere mit PC71BM geminale Rekombination von gebundenen Ladungstransferzuständen ein Hauptverlustkanal ist. Zudem wurde in beiden Systemen schnelle nichtgeminale Rekombination freier Ladungen zu Triplettzuständen auf dem Polymer beobachtet. Für das Donor-Akzeptor System PDPP5T:PC71BM wurde nachgewiesen, dass die Zugabe eines Lösungsmittels mit hohem Siedepunkt, und zwar ortho-Dichlorbenzol, die Morphologie der aktiven Schicht stark beeinflusst und die Solarzelleneffizienz verbessert. Der Grund hierfür ist, dass die Donator- und Akzeptormaterialien besser durchmischt sind und sich Perkolationswege zu den Elektroden ausgebildet haben, was zu einer verbesserten Ladungsträgergeneration und Extraktion führt. Schnelle Bildung des Triplettzustands wurde in beiden PDPP5T:PC71BM Systemen beobachtet, da der Triplettzustand des Polymers über Laungstransferzustände mit Triplettcharakter populiert werden kann. "Multivariate curve resolution" (MCR) Analyse hat eine starke Intensitätsabhängigkeit gezeigt, was auf nichtgeminale Ladungsträgerrekombination in den Triplettzustand hinweist.rnrnIn den künstlichen primären Photosynthesereaktionszentren hat transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt, dass photoinduzierter Ladungstransfer in Quinon-Porphyrin (Q-P) und Porphyrin-Ferrocen (P-Fc) Diaden sowie in Quinon-Porphyrin-Ferrocen (Q-P-Fc) Triaden effizient ist. Es wurde jedoch auch gezeigt, dass in den P-Fc unf Q-P-Fc Systemen die ladungsgetrennten Zustände in den Triplettzustand der jeweiligen Porphyrine rekombinieren. Der ladungsgetrennte Zustand konnte in der Q-P Diade durch Zugabe einer Lewissäure signifikant stabilisiert werden.

Hepatic arterial infusion enhances DOTATOC radiopeptide therapy in patients with neuroendocrine liver metastases

Intravenously administered radiolabeled peptides targeting somatostatin receptors are used for the treatment of unresectable gastroenteropancreatic neuroendocrine tumors (GEP-NETs). Recently, we demonstrated a high first-pass effect during intra-arterial (i.a.) administration of positron emission tomography (PET) labeled (68)Ga-DOTA(0)-d-Phe(1)-Tyr(3)-octreotide (DOTATOC). In this pilot study, we investigated the therapeutic effectiveness of arterial administered DOTATOC, labeled with the therapeutic β emitters (90)Y and (177)Lu. (90)Y- and/or (177)Lu-DOTATOC were infused into the hepatic artery of 15 patients with liver metastases arising from GEP-NETs. Response was assessed using DOTATOC-PET, multiphase contrast enhanced computed tomography, magnetic resonance imaging, and the serum tumor marker chromogranin A. Pharmacokinetic data of the arterial approach were assessed using (111)In-DOTATOC scans. With the treatment regime of this pilot study, complete remission was achieved in one (7%) patient and partial remission was observed in eight (53%) patients, six patients were classified as stable (40%; response evaluation criteria in solid tumors criteria). The concomitant decrease of elevated serum tumor marker confirmed the radiologic response. Median time to progression was not reached within a mean follow-up period of 20 months. Receptor saturation and redistribution effects were identified as limiting factors for i.a. DOTATOC therapy. The high rate of objective radiologic response in NET patients treated with arterial infusion of (90)Y-/(177)Lu-DOTATOC compares favorably with systemic chemotherapy and intravenous radiopeptide therapy. While i.a. DOTATOC therapy is only applicable to patients with tumors of limited anatomic distribution, the results of this pilot study are a promising development in the treatment of GEP-NET and warrants further investigation of this novel approach.

Modeling And Predicting The Performance Of Infiltrated Solid Oxide Fuel Cell Anodes

Fuel cells are a topic of high interest in the scientific community right now because of their ability to efficiently convert chemical energy into electrical energy. This thesis is focused on solid oxide fuel cells (SOFCs) because of their fuel flexibility, and is specifically concerned with the anode properties of SOFCs. The anodes are composed of a ceramic material (yttrium stabilized zirconia, or YSZ), and conducting material. Recent research has shown that an infiltrated anode may offer better performance at a lower cost. This thesis focuses on the creation of a model of an infiltrated anode that mimics the underlying physics of the production process. Using the model, several key parameters for anode performance are considered. These are the initial volume fraction of YSZ in the slurry before sintering, the final porosity of the composite anode after sintering, and the size of the YSZ and conducting particles in the composite. The performance measures of the anode, namely percolation threshold and effective conductivity, are analyzed as a function of these important input parameters. Simple two and three-dimensional percolation models are used to determine the conditions at which the full infiltrated anode would be investigated. These more simple models showed that the aspect ratio of the anode has no effect on the threshold or effective conductivity, and that cell sizes of 303 are needed to obtain accurate conductivity values. The full model of the infiltrated anode is able to predict the performance of the SOFC anodes and it can be seen that increasing the size of the YSZ decreases the percolation threshold and increases the effective conductivity at low conductor loadings. Similar trends are seen for a decrease in final porosity and a decrease in the initial volume fraction of YSZ.

Development And Use Of A Model To Predict Properties Of Infiltrated Solid Oxide Fuel Cell Anodes

Solid oxide fuel cells (SOFCs) provide a potentially clean way of using energy sources. One important aspect of a functioning fuel cell is the anode and its characteristics (e.g. conductivity). Using infiltration of conductor particles has been shown to be a method for production at lower cost with comparable functionality. While these methods have been demonstrated experimentally, there is a vast range of variables to consider. Because of the long time for manufacture, a model is desired to aid in the development of the desired anode formulation. This thesis aims to (1) use an idealized system to determine the appropriate size and aspect ratio to determine the percolation threshold and effective conductivity as well as to (2) simulate the infiltrated fabrication method to determine the effective conductivity and percolation threshold as a function of ceramic and pore former particle size, particle fraction and the cell¿s final porosity. The idealized system found that the aspect ratio of the cell does not affect the cells functionality and that an aspect ratio of 1 is the most efficient computationally to use. Additionally, at cell sizes greater than 50x50, the conductivity asymptotes to a constant value. Through the infiltrated model simulations, it was found that by increasing the size of the ceramic (YSZ) and pore former particles, the percolation threshold can be decreased and the effective conductivity at low loadings can be increased. Furthermore, by decreasing the porosity of the cell, the percolation threshold and effective conductivity at low loadings can also be increased

The Effect of Various Electrode Microstructure Parameters on the Effective Conductivity and Three-Phase Boundary Density of Infiltrated SOFC Electrodes

Solid oxide fuel cell (SOFC) technology has the potential to be a significant player in our future energy technology repertoire based on its ability to convert chemical energy into electrical energy. Infiltrated SOFCs, in particular, have demonstrated improved performance and at lower cost than traditional SOFCs. An infiltrated electrode comprises porous ceramic scaffolding (typically constructed from the oxygen ion conducting material) that is infiltrated with electron conducting and catalytic particles. Two important SOFC electrode properties are effective conductivity and three phase boundary density (TPB). Researchers study these electrode properties separately, and fail to recognize them as competing properties. This thesis aims to (1) develop a method to model the TPB density and use it to determine the effect of porosity, scaffolding particle size, and pore former size on TPB density as well as to (2) compare the effect of porosity, scaffolding particle size, and pore former size on TPB density and effective conductivity to determine a desired set of parameters for infiltrated SOFC electrode performance. A computational model was used to study the effect of microstructure parameters on the effective conductivity and TPB density of the infiltrated SOFC electrode. From this study, effective conductivity and TPB density are determined to be competing properties of SOFC electrodes. Increased porosity, scaffolding particle size, and pore former particle size increase the effective conductivity for a given infiltrate loading above percolation threshold. Increased scaffolding particle size and pore former size ratio, however, decreases the TPB density. The maximum TPB density is achievable between porosities of 45% and 60%. The effect of microstructure parameters are more prominent at low loading with scaffolding particle size being the most significant factor and pore former size ratio being the least significant factor.

Integration of computational models and experimental characterization to study internal frost damage in cementitious materials

The objective of this doctoral research is to investigate the internal frost damage due to crystallization pore pressure in porous cement-based materials by developing computational and experimental characterization tools. As an essential component of the U.S. infrastructure system, the durability of concrete has significant impact on maintenance costs. In cold climates, freeze-thaw damage is a major issue affecting the durability of concrete. The deleterious effects of the freeze-thaw cycle depend on the microscale characteristics of concrete such as the pore sizes and the pore distribution, as well as the environmental conditions. Recent theories attribute internal frost damage of concrete is caused by crystallization pore pressure in the cold environment. The pore structures have significant impact on freeze-thaw durability of cement/concrete samples. The scanning electron microscope (SEM) and transmission X-ray microscopy (TXM) techniques were applied to characterize freeze-thaw damage within pore structure. In the microscale pore system, the crystallization pressures at sub-cooling temperatures were calculated using interface energy balance with thermodynamic analysis. The multi-phase Extended Finite Element Modeling (XFEM) and bilinear Cohesive Zone Modeling (CZM) were developed to simulate the internal frost damage of heterogeneous cement-based material samples. The fracture simulation with these two techniques were validated by comparing the predicted fracture behavior with the captured damage from compact tension (CT) and single-edge notched beam (SEB) bending tests. The study applied the developed computational tools to simulate the internal frost damage caused by ice crystallization with the two dimensional (2-D) SEM and three dimensional (3-D) reconstructed SEM and TXM digital samples. The pore pressure calculated from thermodynamic analysis was input for model simulation. The 2-D and 3-D bilinear CZM predicted the crack initiation and propagation within cement paste microstructure. The favorably predicted crack paths in concrete/cement samples indicate the developed bilinear CZM techniques have the ability to capture crack nucleation and propagation in cement-based material samples with multiphase and associated interface. By comparing the computational prediction with the actual damaged samples, it also indicates that the ice crystallization pressure is the main mechanism for the internal frost damage in cementitious materials.

Water transport in complex, non-wetting porous layers with applications to water management in low temperature fuel cells

An experimental setup was designed to visualize water percolation inside the porous transport layer, PTL, of proton exchange membrane, PEM, fuel cells and identify the relevant characterization parameters. In parallel with the observation of the water movement, the injection pressure (pressure required to transport water through the PTL) was measured. A new scaling for the drainage in porous media has been proposed based on the ratio between the input and the dissipated energies during percolation. A proportional dependency was obtained between the energy ratio and a non-dimensional time and this relationship is not dependent on the flow regime; stable displacement or capillary fingering. Experimental results show that for different PTL samples (from different manufacturers) the proportionality is different. The identification of this proportionality allows a unique characterization of PTLs with respect to water transport. This scaling has relevance in porous media flows ranging far beyond fuel cells. In parallel with the experimental analysis, a two-dimensional numerical model was developed in order to simulate the phenomena observed in the experiments. The stochastic nature of the pore size distribution, the role of the PTL wettability and morphology properties on the water transport were analyzed. The effect of a second porous layer placed between the porous transport layer and the catalyst layer called microporous layer, MPL, was also studied. It was found that the presence of the MPL significantly reduced the water content on the PTL by enhancing fingering formation. Moreover, the presence of small defects (cracks) within the MPL was shown to enhance water management. Finally, a corroboration of the numerical simulation was carried out. A threedimensional version of the network model was developed mimicking the experimental conditions. The morphology and wettability of the PTL are tuned to the experiment data by using the new energy scaling of drainage in porous media. Once the fit between numerical and experimental data is obtained, the computational PTL structure can be used in different types of simulations where the conditions are representative of the fuel cell operating conditions.

Preparation of highly-ordered TiO₂ nanotube arrays and their applications in Dye-sensitized solar cells

Titanium oxide is an important semiconductor, which is widely applied for solar cells. In this research, titanium oxide nanotube arrays were synthesized by anodization of Ti foil in the electrolyte composed of ethylene glycol containing 2 vol % H2O and 0.3 wt % NH4F. The voltages of 40V-50V were employed for the anodizing process. Pore diameters and lengths of the TiO2 nanotubes were evaluated by field emission scanning electron microscope (FESEM). The obtained highly-ordered titanium nanotube arrays were exploited to fabricate photoelectrode for the Dye-sensitized solar cells (DSSCS). The TiO2 nanotubes based DSSCS exhibited an excellent performance with a high short circuit current and open circuit voltage as well as a good power conversion efficiency. Those can be attributed to the high surface area and one dimensional structure of TiO2 nanotubes, which could hold a large amount of dyes to absorb light and help electron percolation process to hinder the recombination during the electrons diffusion in the electrolyte.

Nano-engineering of composite material via reactive mechanical alloying/milling (RMA/M)

Attempts to strengthen a chromium-modified titanium trialuminide by a combination of grain size refinement and dispersoid strengthening led to a new means to synthesize such materials. This Reactive Mechanical Alloying/Milling process uses in situ reactions between the metallic powders and elements from a process control agent and/or a gaseous environment to assemble a dispersed small hard particle phase within the matrix by a bottom-up approach. In the current research milled powders of the trialuminide alloy along with titanium carbide were produced. The amount of the carbide can be varied widely with simple processing changes and in this case the milling process created trialuminide grain sizes and carbide particles that are the smallest known from such a process. Characterization of these materials required the development of x-ray diffraction means to determine particle sizes by deconvoluting and synthesizing components of the complex multiphase diffraction patterns and to carry out whole pattern analysis to analyze the diffuse scattering that developed from larger than usual highly defective grain boundary regions. These identified regions provide an important mass transport capability in the processing and not only facilitate the alloy development, but add to the understanding of the mechanical alloying process. Consolidation of the milled powder that consisted of small crystallites of the alloy and dispersed carbide particles two nanometers in size formed a unique, somewhat coarsened, microstructure producing an ultra-high strength solid material composed of the chromium-modified titanium trialuminide alloy matrix with small platelets of the complex carbides Ti2AlC and Ti3AlC2. This synthesis process provides the unique ability to nano-engineer a wide variety of composite materials, or special alloys, and has shown the ability to be extended to a wide variety of metallic materials.

Dual energy versus single energy MDCT: measurement of radiation dose using adult abdominal imaging protocols

RATIONALE AND OBJECTIVES: The aim of this study was to measure the radiation dose of dual-energy and single-energy multidetector computed tomographic (CT) imaging using adult liver, renal, and aortic imaging protocols. MATERIALS AND METHODS: Dual-energy CT (DECT) imaging was performed on a conventional 64-detector CT scanner using a software upgrade (Volume Dual Energy) at tube voltages of 140 and 80 kVp (with tube currents of 385 and 675 mA, respectively), with a 0.8-second gantry revolution time in axial mode. Parameters for single-energy CT (SECT) imaging were a tube voltage of 140 kVp, a tube current of 385 mA, a 0.5-second gantry revolution time, helical mode, and pitch of 1.375:1. The volume CT dose index (CTDI(vol)) value displayed on the console for each scan was recorded. Organ doses were measured using metal oxide semiconductor field-effect transistor technology. Effective dose was calculated as the sum of 20 organ doses multiplied by a weighting factor found in International Commission on Radiological Protection Publication 60. Radiation dose saving with virtual noncontrast imaging reconstruction was also determined. RESULTS: The CTDI(vol) values were 49.4 mGy for DECT imaging and 16.2 mGy for SECT imaging. Effective dose ranged from 22.5 to 36.4 mSv for DECT imaging and from 9.4 to 13.8 mSv for SECT imaging. Virtual noncontrast imaging reconstruction reduced the total effective dose of multiphase DECT imaging by 19% to 28%. CONCLUSION: Using the current Volume Dual Energy software, radiation doses with DECT imaging were higher than those with SECT imaging. Substantial radiation dose savings are possible with DECT imaging if virtual noncontrast imaging reconstruction replaces precontrast imaging.