Investigation of the pore blockage of a Brazilian dolomite during the sulfation reaction

The influence of the temperature and reaction time on the sulfation process of a dolomite is investigated in this paper. The sulfation effectiveness was evaluated and correlated with changes in the physical characteristics of a Brazilian dolomite during the reactive process. Calcination and sulfation experiments were performed under isothermal conditions for dolomite samples with average particle sizes of 545 mu m at temperatures of 750 degrees C, 850 degrees C and 950 degrees C at different times of sulfation. Thermogravimetric tests were applied to establish the reactivity variation of the dolomite in function of the time in the sulfation reaction and evaluate the methodology of the samples preparation. Porosimetry tests were performed to study the pore blockage of dolomite during the sulfation reaction. The highest values of BET surface area were 25.55 m(2)/g, 29.55 m(2)/g and 12.62 m(2)/g for calcined samples and after their sulfation processes, conversions of 51.5%, 61.9% and 42.8% were obtained at 750 degrees C, 850 degrees C and 950 degrees C, respectively. Considering the process as a whole, the best fit was provided by a first-order exponential decay equation. Moreover, the results have shown that it is possible to quantify the decreasing in the dolomite reactivity for sulfur dioxide sorption and understand the changes in the behavior of the sulfation process of limestones when applied to technologies, as fluidized bed combustor, in which sulfur dioxide is present. (C) 2011 Elsevier B. V. All rights reserved.

Kalorimetrische Tieftemperaturdetektoren für niederenergetische (E 1 MeV/amu) Schwerionen und ihr erster Einsatz in der Beschleuniger-Massenspektrometrie zur Spurenanalyse von 236 U

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zum ersten Mal kalorimetrische Tieftemperatur-Detektoren in der Beschleuniger-Massenspektrometrie (Accelerator Mass Spectrometry AMS), einer Standard-Methode zur Bestimmung kleinster Isotopenverhältnisse, eingesetzt, um das Isotopenverhältnis von 236U zu 238U zu bestimmen. Das Uran-Isotop 236U entsteht in der Neutroneneinfang-Reaktion 235U(n,gamma)236U und kann daher als Monitor-Nuklid für Neutronenflüsse verwendet werden. Die Detektoren bestehen aus einem Saphir-Absorber, auf den ein supraleitender Aluminium-Film aufgedampft ist, der als Thermistor dient. Ein energetisches Schwerion deponiert seine kinetische Energie als Wärme im Absorber, dessen Temperaturänderung durch die Widerstandsänderung des Supraleiters nachgewiesen wird. Mit solchen Detektoren konnte in vorhergehenden Experimenten bei GSI in einem Energiebereich von E = 5 - 300 MeV/amu für eine Vielzahl von Ionen von Neon bis Uran eine relative Energieauflösung von (1 - 4) E-3 erreicht werden. Der für die Beschleuniger-Massenspektrometrie typische Energiebereich liegt bei E = 0.1 - 1 MeV/amu. Im ersten Schritt wurde daher die systematische Untersuchung der Detektoreigenschaften auf diesen Energiebereich ausgedehnt. Diese Untersuchungen sowie die AMS-Messungen wurden am Tandem-Beschleuniger VERA des Instituts für Isotopenforschung und Kernphysik der Universität Wien durchgeführt. In einem Energiebereich von 10 - 60 MeV konnte für verschiedene Ionen (13C, 197Au, 238U) zunächst eine relative Energieauflösung von DeltaE/E = 7 E-3 erreicht werden. Dies übertrifft die Auflösung konventioneller Ionisations-Detektoren um ca. eine Größenordnung. Durch eine Verbesserung thermischer und elektronischer Rauschbeiträge konnte in einem zweiten Experiment für Uran der Energie 17 MeV die Auflösung auf DeltaE/E = 4.6 E-3 verbessert werden. Die Energie-Response des Detektors war linear über den gesamten beobachteten Energiebereich und unabhängig von der Ionenmasse; bis auf ein Niveau von 0.1 % wurde kein Pulshöhendefekt beobachtet. Diese Ergebnisse zeigen, daß solche Detektoren ein wertvolles Werkzeug in der Schwerionenphysik im Bereich relativ niedriger Ionenenergien darstellen. Mit der erreichten Energieauflösung war es möglich, für mehrere Proben aus natürlichem Uran das Isotopenverhältnis 236U/238U zu bestimmen: Um einen Material-Standard für Uran in der AMS zu etablieren, wurde das Isotopenverhältnis 236U/238U für zwei Proben aus der Mine ''K.u.K. Joachimsthal'' möglichst präzise bestimmt. Die Ergebnisse in der vorliegenden Arbeit stimmen gut mit früheren Messungen überein, die mit einem konventionellen Detektorsystem durchgeführt wurden. Sowohl der statistische als auch der systematische Fehler konnten deutlich reduziert werden. Für eine weitere Probe, extrahiert aus dem Wasser einer Uran-haltigen Quelle in Bad Gastein, wurde ein Isotopenverhältnis von 6.1 E-12 gemessen. Dies stellt das kleinste bislang für 236U/238U gemessene Isotopenverhältnis dar und bedeutet eine Steigerung der Sensitivität um eine Größenordnung. Die erreichte Energieauflösung ermöglicht es außerdem, die Detektoren zur direkten Massenidentifikation von schweren Ionen mittels einer kombinierten Energie-Flugzeit-Messung einzusetzen. In ersten Test-Messungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Massenauflösung von DeltaM/M = (8.5 - 11.0) E-3 erreicht. In einem ersten Test für den Einsatz dieser Detektoren zum Nachweis sog. ''superschwerer Elemente (Z >= 112)'' erlaubte der große dynamische Bereich, die Reaktionsprodukte und ihre nachfolgenden Alpha-Zerfälle mit hoher Energieauflösung simultan und zeitaufgelöst nachzuweisen.

Tris(trimethylsilyl)silyl stabilized phosphorus and lead clusters

Die Hypersilylgruppe (Me3Si)3Si stellt einen sehr sperrigen, Elektronen liefernden Substituenten dar und kann zur Stabilisierung niedriger Oxidationsstufen sowie ungewöhnlicher Strukturelemente dienen. Durch Reaktionen der base-freien Hypersilanide der Alkalimetalle sowie des Dihypersilylplumbandiyls mit unterschiedlichsten phosphorhaltigen Reagenzien konnten eine Reihe hypersilyl-stabilisierter Phosphor- und Bleicluster-Verbindungen erhalten werden. Kaliumhypersilanid reagiert in Toluol glatt mit weißem Phosphor bei Raumtemperatur in Toluol unter quantitativer Bildung von rotem Kalium-bis(hypersilyl)tetraphosphenid [(Me3Si)3Si]2P4K2 (1), einem Kaliumsalz des Tetraphosphens (Me3Si)3Si-PH-P=P-PH-Si(SiMe3)3. In Benzol oder Toluol steht 1 im Gleichgewicht mit dem dimeren Octaphosphanid [(Me3Si)3Si]4P8K4 (2). Bei längerem Stehen der toluolischen Lösungen zerfällt 1 langsam vermutlich in Folge einer Protolyse zum gelben Pentaphosphanid [(Me3Si)3Si]3P5K2 (4). Aus benzolischer Lösung konnte hingegen ein weiteres Oktaphosphanid, [(Me3Si)3Si]3P8K3 (5), isoliert werden. Führt man die Reaktion Kaliumhypersilanid mit P4 in stärker koordinierenden Lösungsmitteln wie Diethylether durch, so entstehen neben 1 größere Mengen des Triphosphenids [(Me3Si)3Si]2P3K (3); dieses enthält ein Triphosphaallyl-Anion mit partieller P-P-Doppelbindung. Setzt man Lithiumhypersilanid mit weißem Phosphor um, so beobachtet man eine vollständig andere Produktpallette. Als Hauptprodukte lassen Polyphosphane wie beispielsweise [(Me3Si)3Si]2P4 (6) nachweisen, das zu 1 analoge [(Me3Si)3Si]2P4Li2 (7) entsteht nur in vergleichsweise kleinen Mengen. In der Gegenwart von Hexahydro-1,3,5-trimethyl-S-triazin, entsteht aus Lithiumhypersilanid und P4 hingegen im wesentlichen [(Me3Si)3Si]2P3Li (8) neben beträchtlichen Mengen von (Me3Si)4Si. Dessen Bildung erfordert eine Si-Si-Bindungsspaltung im Verlauf der Reaktion. Die Reaktion von Natriumhypersilanid mit P4 verläuft sehr unübersichtlich, das Pentaphosphanid [(Me3Si)3Si]3P5Na2 (9) ist das einzige isolierbare Produkt. Setzt man 1 mit [(Me3Si)2Si]2Sn um, so bilden sich überraschenderweise, je nach verwendetem Solvens [(Me3Si)3Si]3P4SnK (10) oder [(Me3Si)3Si]2[(Me3Si)2N]P4SnK (11). Alle neuen Verbindungen wurden NMR-spektroskopisch charakterisiert, die Phosphenide 1, 7, 8 sowie die Phosphanide 2, 4, 5, 9, 10 darüber hinaus durch Kristallstrukturanalysen. Dihypersilylplumbandiyl und -stannandiyl reagieren bei tiefer Temperatur mit P4, MPH2 (M=Li, K), PMe3, and PH3 zu formalen Lewis-Säure-Base-Addukten. Die Addukte {[(Me3Si)3Si]2PbPH2}M [M = Li (15), K (18)], {{[(Me3Si)3Si]2Pb}2PH2}M [M = Li (19), K (20)], und [(Me3Si)3Si]2EPMe3 [E = Pb (21), Sn (22)] wurden als kristalline Feststoffe erhalten und konnten vollständig charakterisiert werden. Die metastabilen Addukte {[(Me3Si)3Si]2E}4P4 (E = Pb, Sn) und [(Me3Si)3Si]2PbPH3 konnten lediglich NMR-spektroskopisch nachgewiesen werden. Bei Raumtemperatur entstehen in Folge von Ligandenaustausch-Prozessen die kristallographisch charakterisierten Heterokubane [(Me3Si)3Si]4P4E4 [E = Pb (12), Sn (14)], das Diphosphen (Me3Si)3SiP=PSi(SiMe3)3 (13) sowie der Pb2P2-Heterocyclus [(Me3Si)3SiPbP(H)Si(SiMe3)3]2 (17). Bei tiefer Temperatur wird aus einer sehr langsamen Reaktion von Dihypersilylplumbandiyl und PH3 in sehr kleinen Ausbeuten ein weiteres, völlig unerwartetes Produkt gebildet: der Bleicluster [(Me3Si)3Si]6Pb12 (23). Er weist ein verzerrt ikosaedrisches, zentrosymmetrisches Pb12-Gerüst auf. Nach jetzigen Erkenntnissen läuft seine Bildung über das nicht fassbare Hydridoplumbandiyl HPbSi(SiMe3)3, das intermediär durch Substituentenaustausch zwischen Pb[Si(SiMe3)3]2 and PH3 entsteht. Der Ersatz des Phosphans durch andere Hydridquellen wie (Ph3PCuH)6, (iBu)2AlH, and Me3NAlH3 führt ebenfalls zur Bildung von Bleiclustern, allerdings ist jetzt der Cluster [(Me3Si)3Si]6Pb10 (24) das Hauptprodukt. Beide Cluster, 23 und 24, gehorchen den Wade-Regeln.

Synthesis and characterization of metal-chalcogenide MQ 2-Nanoparticles (M = Mo, W, Zr; Q = S, O)

Here, we present the adaptation and optimization of (i) the solvothermal and (ii) the metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) approach as simple methods for the high-yield synthesis of MQ2 (M=Mo, W, Zr; Q = O, S) nanoparticles. Extensive characterization was carried out using X-ray diffraction (XRD), scanning and transmission electron micros¬copy (SEM/TEM) combined with energy dispersive X-ray analysis (EDXA), Raman spectroscopy, thermal analyses (DTA/TG), small angle X-ray scattering (SAXS) and BET measurements. After a general introduction to the state of the art, a simple route to nanostructured MoS2 based on the decomposition of the cluster-based precursor (NH4)2Mo3S13∙xH2O under solvothermal conditions (toluene, 653 K) is presented. Solvothermal decomposition results in nanostructured material that is distinct from the material obtained by decomposition of the same precursor in sealed quartz tubes at the same temperature. When carried out in the presence of the surfactant cetyltrimethyl¬ammonium bromide (CTAB), the decomposition product exhibits highly disordered MoS2 lamellae with high surface areas. The synthesis of WS2 onion-like nanoparticles by means of a single-step MOCVD process is discussed. Furthermore, the results of the successful transfer of the two-step MO¬CVD based synthesis of MoQ2 nanoparticles (Q = S, Se), comprising the formation of amorphous precursor particles and followed by the formation of fullerene-like particles in a subsequent annealing step to the W-S system, are presented. Based on a study of the temperature dependence of the reactions a set of conditions for the formation of onion-like structures in a one-step reaction could be derived. The MOCVD approach allows a selective synthesis of open and filled fullerene-like chalcogenide nanoparticles. An in situ heating stage transmission electron microscopy (TEM) study was employed to comparatively investigate the growth mechanism of MoS2 and WS2 nanoparticles obtained from MOCVD upon annealing. Round, mainly amorphous particles in the pristine sample trans¬form to hollow onion-like particles upon annealing. A significant difference between both compounds could be demonstrated in their crystallization conduct. Finally, the results of the in situ hea¬ting experiments are compared to those obtained from an ex situ annealing process under Ar. Eventually, a low temperature synthesis of monodisperse ZrO2 nanoparticles with diameters of ~ 8 nm is introduced. Whereas the solvent could be omitted, the synthesis in an autoclave is crucial for gaining nano-sized (n) ZrO2 by thermal decomposition of Zr(C2O4)2. The n-ZrO2 particles exhibits high specific surface areas (up to 385 m2/g) which make them promising candidates as catalysts and catalyst supports. Co-existence of m- and t-ZrO2 nano-particles of 6-9 nm in diameter, i.e. above the critical particle size of 6 nm, demonstrates that the particle size is not the only factor for stabilization of the t-ZrO2 modification at room temperature. In conclusion, synthesis within an autoclave (with and without solvent) and the MOCVD process could be successfully adapted to the synthesis of MoS2, WS2 and ZrO2 nanoparticles. A comparative in situ heating stage TEM study elucidated the growth mechanism of MoS2 and WS2 fullerene-like particles. As the general processes are similar, a transfer of this synthesis approach to other layered transition metal chalcogenide systems is to be expected. Application of the obtained nanomaterials as lubricants (MoS2, WS2) or as dental filling materials (ZrO2) is currently under investigation.

Neue 18 F-markierte Liganden zur Visualisierung des GABA A, alpha 5-Rezeptorstatus mittels PET

Die heutige Verfügbarkeit der molekularen Bildgebung ermöglicht einen signifikanten Einfluss auf die Diagnostik und die Therapiekontrolle von neurodegenerativen Erkrankungen, die unter anderem durch Fehlsteuerungen im GABAergen System auftreten können. Die Visualisierung und Quantifizierung des GABAA-alpha5-Subtyps durch PET könnte dabei zu einem besseren Verständnis von Erkrankungen wie Alzheimer und traumatischen Neurosen (emotionales Langzeitgedächtnis) beitragen. Ferner eröffnen GABAA/alpha5-subtypselektive Liganden die Möglichkeit, wesentliche Grundlagen der elementaren Vorgänge von Lernen und Erinnern zu untersuchen. 7,8,9,10-Tetrahydro-(7,10-ethan)-1,2,4-triazol[3,4-alpha]phthalazine stellen sich als vielverspre-chende Leitstrukturen zur Entwicklung neuer 18F-markierter alpha5-subtypselektiver GABAA-Rezeptorliganden für die PET dar. Um diese neuartigen Substanzen hinsichtlich ihrer Potenz als GABAA-alpha5-subtypselektive Radioliganden zu verifizieren, wurden zunächst die entsprechenden 19F-Derivate TC07-TC12 synthetisiert. Diese Referenzverbindungen wurden in Rezeptor-bindungsassays und in Autoradiographien mit [3H]Ro 15-4513 als zu verdrängender Radioligand evaluiert. In beiden Experimenten als auch in in vivo-Verdrängungsexperimenten an Ratten konnte eine hohe Affinität im nanomolaren Bereich als auch eine hohe Selektivität bezüglich der GABAA/alpha5-Untereinheit für einige der dargestellten Referenzverbindungen nachgewiesen werden. Gemäß diesen vielversprechenden Ergebnissen wurden verschiedene Markie-rungsvorläufer für eine 18F-Direktmarkierung der relevantesten Substanz TC07 in einer mehrstufigen organischen Synthese dargestellt. Die anschließende 18F-Markierung erfolgte über eine nukleophile Substitution mit [18F]Fluorid. Die Reaktionsparameter wurden hinsichtlich Reaktionstemperatur und dauer, Markierungsvorläuferkonzentration, Basenabhängigkeit und verschiedenen Markierungsmethoden optimiert. Daraus resultierend konnte [18F]TC07 mit bis zu 45 % radiochemischer Ausbeute erhalten werden. Die zerfallskorrigierte, gesamtradiochemische Ausbeute von nca [18F]TC07 in isotonischer NaCl-Lösung betrug 15 %. Basierend auf den bisher erhaltenen Ergebnissen wurde der Radioligand in in vitro-, ex vivo- und in vivo µPET-Experimenten evaluiert. Die zunächst durchgeführten in vitro-Experimente deuteten auf eine homogene Verteilung der Aktivität hin und zeigten keine spezifische Anreicherung. Diese Ergebnisse wurden sowohl in ex vivo- als auch in in vivo-µPET-Studien bestätigt. Auch hier konnte nur eine niedrige Aktivitätsanreicherung, eine homogene Verteilung im gesamten Gehirn und keine Übereinstimmung mit der bekannten GABAA/alpha5-Subtypverteilung gefunden werden. Eine im Anschluss durchgeführte Metabolismusstudie zeigte eine langsame Metabolisierungsrate des [18F]TC07 und auch eine Organverteilungsstudie zeigte keine außergewöhnlichen Anreicherungen. Aus den erhaltenen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass der Radioligand [18F]TC07 kein geeigneter Tracer zur in vivo-Visualisierung der alpha5-Untereinheit des GABAA-Rezeptors ist.

Catalysts and processes for next-generation H2 production

The present study is focused on the development of new VIII group metal on CeO2 – ZrO2 (CZO) catalyst to be used in reforming reaction for syngas production. The catalyst are tested in the oxyreforming process, extensively studied by Barbera [44] in a new multistep process configuration, with intermediate H2 membrane separation, that can be carried out at lower temperature (750°C) with respect the reforming processes (900 – 1000°C). In spite of the milder temperatures, the oxy-reforming conditions (S/C = 0.7; O2/C = 0.21) remain critical regarding the deactivation problems mainly deriving from thermal sintering and carbon formation phenomena. The combination of the high thermal stability characterizing the ZrO2, with the CeO2 redox properties, allows the formation of stable mixed oxide system with high oxygen mobility. This feature can be exploited in order to contrast the carbon deposition on the active metal surface through the oxidation of the carbon by means of the mobile oxygen atoms available at the surface of the CZO support. Ce0.5Zr0.5O2 is the phase claimed to have the highest oxygen mobility but its formation is difficult through classical synthesis (co-precipitation), hence a water-in-oil microemulsion method is, widely studied and characterized. Two methods (IWI and bulk) for the insertion of the active metal (Rh, Ru, Ni) are followed and their effects, mainly related to the metal stability and dispersion on the support, are discussed, correlating the characterization with the catalytic activity. Different parameters (calcination and reduction temperatures) are tuned to obtain the best catalytic system both in terms of activity and stability. Interesting results are obtained with impregnated and bulk catalysts, the latter representing a new class of catalysts. The best catalysts are also tested in a low temperature (350 – 500°C) steam reforming process and preliminary tests with H2 membrane separation have been also carried out.

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

Additions- und Umlagerungsreaktionen des Lewis-aciden Dihypersilylplumbandiyls in Umsetzungen mit monodenten und ambidenten Lewis-Basen

Die chemische Reaktivität des Dihypersilylplumbylens Pb[Si(Si(CH3)3)3]2 wird durch seine besondere elektronische Struktur bestimmt. Im Unterschied zu Carbenen (Triplett-Grundzustand) liegen Plumbylene im Grundzustand als Singulett vor, mit einem energetisch hochliegenden HOMO (freies Elektronenpaar mit hohem s-Charakter) und einem tiefliegenden LUMO (näherungsweise: freies p-Orbital des Pb-Atoms). Daraus resultiert das amphotere Lewis-Säure/Lewis-Base-Verhalten der Verbindung, mit der Besonderheit, dass sich die beiden Lewis-Zentren am selben Atom befinden. rnIn Umsetzungen mit monodenten und ambidenten Lewis-Basen wurden die Lewis-aciden Eigenschaften des Dihypersilylplumbandiyls Pb[Si(Si(CH3)3)3]2 untersucht. Reaktionen mit den sterisch anspruchsvollen O-Nucleophilen KOtBu (Kalium-tert-Butanolat) und KOiPrPh (4-Kaliumisopropylphenolat) führten bei tiefen Temperaturen zur primären Adduktbildung. Die aus der Strukturanalyse erhaltenen Bindungsdaten zeigen die extreme sterische Überfrachtung des zentralen Blei-Atoms. Der Abbau der sterischen Spannung ist möglicherweise die Ursache für offensichtlich stattfindende Umlagerungsfolgereaktionen (bei Reaktionsführungen bei T>-60°C), die aufgrund spektroskopische Untersuchungen zu vermuten sind.rnEingehender wurden diese Umlagerungsreaktionen in Umsetzungen des Pb[Si(Si(CH3)3)3]2 mit ambidenten Lewis-Basen untersucht. In Übereinstimmung und Erweiterung mit früheren Ergebnissen von Klinkhammer (K. Klinkhammer, Polyhedron, 2002, 21, 587) konnte beispielsweise die Migration einer (mit der ambidenten Lewis-Base tert-Butylisonitril) bzw. beider Hypersilylgruppen (mit p-Tolylisocyanat) unter Bildung hetero- bzw. homoleptischer Plumbylene nachgewiesen werden.rnReaktionen des Pb[Si(Si(CH3)3)3]2 mit den anorganischen ambidenten Salz-Ionen CN-, OCN-, SCN-, N3-, NO2- führen zur Bildung salzartiger Plumbanide der Zusammensetzung Me{Pb[Si(Si(CH3)3)3]2}Nu (Me: Na bzw. K, Nu: CN, OCN, SCN, N3, NO2). Die Verbindungen liegen im Kristall monomer als Kontaktionenpaar vor. Auf diese Weise gelang erstmalig die gezielte Synthese eines Blei(II)cyanids sowie die Darstellung eines Blei(II)isocyanats. rn

The effect of temperature on pressure tolerance of the shallow-water shrimp Palaemon serratus

Tolerance to low temperature and high pressure may allow shallow-water species to extend bathymetric range in response to changing climate, but adaptation to contrasting shallow-water environments may affect tolerance to these factors. The brackish shallow-water shrimp Palaemon varians demonstrates remarkable tolerance to elevated hydrostatic pressure and low temperature, but inhabits a highly variable environment: environmental adaptation may therefore make P. varians tolerances unrepresentative of other shallow-water species. Critical thermal maximum (CTmax), critical hydrostatic pressure maximum (CPmax), and acute respiratory response to hydrostatic pressure were assessed in the shallow-water shrimp Palaemon serratus, which inhabits a more stable intertidal habitat. P. serratus’ CTmax was 22.3°C when acclimated at 10°C, and CPmax was 5.9, 10.1, and 14.1 MPa when acclimated at 5, 10, and 15°C respectively: these critical tolerances were consistently lower than P. varians. Respiratory responses to acute hyperbaric exposures similarly indicated lower tolerance to hydrostatic pressure in P. serratus than in P. varians. Contrasting tolerances likely reflect physiological adaptation to differing environments and reveal that the capacity for depth-range extension may vary among species from different habitats.

Temperature-Dependent Defect Dynamics in the Network Glass SiO2

We investigate the long time dynamics of a strong glass former, SiO2, below the glass transition temperature by averaging single-particle trajectories over time windows which comprise roughly 100 particle oscillations. The structure on this coarse-grained time scale is very well defined in terms of coordination numbers, allowing us to identify ill-coordinated atoms, which are called defects in the following. The most numerous defects are O-O neighbors, whose lifetimes are comparable to the equilibration time at low temperature. On the other hand, SiO and OSi defects are very rare and short lived. The lifetime of defects is found to be strongly temperature dependent, consistent with activated processes. Single-particle jumps give rise to local structural rearrangements. We show that in SiO2 these structural rearrangements are coupled to the creation or annihilation of defects, giving rise to very strong correlations of jumping atoms and defects.

Fluidic oscillator design for water removal enhancement in a PEM fuel cell

This research initiative was triggered by the problems of water management of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC). In low temperature fuel cells such as PEMFC, some of the water produced after the chemical reaction remains in its liquid state. Excess water produced by the fuel cell must be removed from the system to avoid flooding of the gas diffusion layers (GDL). The GDL is responsible for the transport of reactant gas to the active sites and remove the water produced from the sites. If the GDL is flooded, the supply gas will not be able to reach the reactive sites and the fuel cell fails. The choice of water removal method in this research is to exert a variable asymmetrical force on a liquid droplet. As the drop of liquid is subjected to an external vibrational force in the form of periodic wave, it will begin to oscillate. A fluidic oscillator is capable to produce a pulsating flow using simple balance of momentum fluxes between three impinging jets. By connecting the outputs of the oscillator to the gas channels of a fuel cell, a flow pulsation can be imposed on a water droplet formed within the gas channel during fuel cell operation. The lowest frequency produced by this design is approximately 202 Hz when a 20 inches feed-back port length was used and a supply pressure of 5 psig was introduced. This information was found by setting up a fluidic network with appropriate data acquisition. The components include a fluidic amplifier, valves and fittings, flow meters, a pressure gage, NI-DAQ system, Siglab®, Matlab software and four PCB microphones. The operating environment of the water droplet was reviewed, speed of the sound pressure which travels down the square channel was precisely estimated, and measurement devices were carefully selected. Applicable alternative measurement devices and its application to pressure wave measurement was considered. Methods for experimental setup and possible approaches were recommended, with some discussion of potential problems with implementation of this technique. Some computational fluid dynamic was also performed as an approach to oscillator design.

Advanced Nanostructured Electro-Catalysts for Electricity Generation and Biorenewable Alcohol Conversion

In my Ph.D research, a wet chemistry-based organic solution phase reduction method was developed, and was successfully applied in the preparation of a series of advanced electro-catalysts, including 0-dimensional (0-D) Pt, Pd, Au, and Pd-Ni nanoparticles (NPs), 1-D Pt-Fe nanowires (NWs) and 2-D Pd-Fe nanoleaves (NLs), with controlled size, shape, and morphology. These nanostructured catalysts have demonstrated unique electro-catalytic functions towards electricity production and biorenewable alcohol conversion. The molecular oxygen reduction reaction (ORR) is a long-standing scientific issue for fuel cells due to its sluggish kinetics and the poor catalyst durability. The activity and durability of an electro-catalyst is strongly related with its composition and structure. Based on this point, Pt-Fe NWs with a diameter of 2 - 3 nm were accurately prepared. They have demonstrated a high durability in sulfuric acid due to its 1-D structure, as well as a high ORR activity attributed to its tuned electronic structure. By substituting Pt with Pd using a similar synthesis route, Pd-Fe NLs were prepared and demonstrated a higher ORR activity than Pt and Pd NPs catalysts in the alkaline electrolyte. Recently, biomass-derived alcohols have attracted enormous attention as promising fuels (to replace H2) for low-temperature fuel cells. From this point of view, Pd-Ni NPs were prepared and demonstrated a high electro-catalytic activity towards ethanol oxidation. Comparing to ethanol, the biodiesel waste glycerol is more promising due to its low price and high reactivity. Glycerol (and crude glycerol) was successfully applied as the fuel in an Au-anode anion-exchange membrane fuel cell (AEMFC). By replacing Au with a more active Pt catalyst, simultaneous generation of both high power-density electricity and value-added chemicals (glycerate, tartronate, and mesoxalate) from glycerol was achieved in an AEMFC. To investigate the production of valuable chemicals from glycerol electro-oxidation, two anion-exchange membrane electro-catalytic reactors were designed. The research shows that the electro-oxidation product distribution is strongly dependent on the anode applied potential. Reaction pathways for the electro-oxidation of glycerol on Au/C catalyst have been elucidated: continuous oxidation of OH groups (to produce tartronate and mesoxalate) is predominant at lower potentials, while C-C cleavage (to produce glycolate) is the dominant reaction path at higher potentials.

PROPERTIES AND STRUCTURES OF Li-N BASED HYDROGEN STORAGE MATERIALS

Traditional transportation fuel, petroleum, is limited and nonrenewable, and it also causes pollutions. Hydrogen is considered one of the best alternative fuels for transportation. The key issue for using hydrogen as fuel for transportation is hydrogen storage. Lithium nitride (Li3N) is an important material which can be used for hydrogen storage. The decompositions of lithium amide (LiNH2) and lithium imide (Li2NH) are important steps for hydrogen storage in Li3N. The effect of anions (e.g. Cl-) on the decomposition of LiNH2 has never been studied. Li3N can react with LiBr to form lithium nitride bromide Li13N4Br which has been proposed as solid electrolyte for batteries. The decompositions of LiNH2 and Li2NH with and without promoter were investigated by using temperature programmed decomposition (TPD) and X-ray diffraction (XRD) techniques. It was found that the decomposition of LiNH2 produced Li2NH and NH3 via two steps: LiNH2 into a stable intermediate species (Li1.5NH1.5) and then into Li2NH. The decomposition of Li2NH produced Li, N2 and H2 via two steps: Li2NH into an intermediate species --- Li4NH and then into Li. The kinetic analysis of Li2NH decomposition showed that the activation energies are 533.6 kJ/mol for the first step and 754.2 kJ/mol for the second step. Furthermore, XRD demonstrated that the Li4NH, which was generated in the decomposition of Li2NH, formed a solid solution with Li2NH. In the solid solution, Li4NH possesses a similar cubic structure as Li2NH. The lattice parameter of the cubic Li4NH is 0.5033nm. The decompositions of LiNH2 and Li2NH can be promoted by chloride ion (Cl-). The introduction of Cl- into LiNH2 resulted in the generation of a new NH3 peak at low temperature of 250 °C besides the original NH3 peak at 330 °C in TPD profiles. Furthermore, Cl- can decrease the decomposition temperature of Li2NH by about 110 °C. The degradation of Li3N was systematically investigated with techniques of XRD, Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, and UV-visible spectroscopy. It was found that O2 could not affect Li3N at room temperature. However, H2O in air can cause the degradation of Li3N due to the reaction between H2O and Li3N to LiOH. The produced LiOH can further react with CO2 in air to Li2CO3 at room temperature. Furthermore, it was revealed that Alfa-Li3N is more stable in air than Beta-Li3N. The chemical stability of Li13N4Br in air has been investigated by XRD, TPD-MS, and UV-vis absorption as a function of time. The aging process finally leads to the degradation of the Li13N4Br into Li2CO3, lithium bromite (LiBrO2) and the release of gaseous NH3. The reaction order n = 2.43 is the best fitting for the Li13N4Br degradation in air reaction. Li13N4Br energy gap was calculated to be 2.61 eV.

Metamorphic and geochronogical study of the Triassic El Oro metamorphic complex, Ecuador: Implications for high-temperature metamorphism in a forearc zone

In the forearc of the Andean active margin in southwest Ecuador, the El Oro metamorphic complex exhibits a well exposed tilted forearc section partially migmatized. We used Raman spectroscopy on carbonaceous matter (RSCM) thermometry and pseudosections coupled with mineralogical and textural studies to constrain the pressure–temperature (P–T) evolution of the El Oro metamorphic complex during Triassic times. Our results show that anatexis of the continental crust occurred by white-mica and biotite dehydration melting along a 10 km thick crustal domain (from 4.5 to 8 kbar) with increasing temperature from 650 to 700 °C. In the biotite dehydration melting zone, temperature was buffered at 750–820 °C in a 5 km thick layer. The estimated average thermal gradient during peak metamorphism is of 30 °C/km within the migmatitic domain can be partitioned into two apparent gradients parts. The upper part from surface to 7 km depth records a 40–45 °C/km gradient. The lower part records a quasi-adiabatic geotherm with a 10 °C/km gradient consistent with an isothermal melting zone. Migmatites U–Th–Pb geochronology yielded zircon and monazite ages of 229.3 ± 2.1 Ma and 224.5 ± 2.3 Ma, respectively. This thermal event generated S-type magmatism (the Marcabeli granitoid) and was immediately followed by underplating of the high-pressure low-temperature (HP-LT) Arenillas–Panupalí unit at 225.8 ± 1.8 Ma. The association of high-temperature low-pressure (HT-LP) migmatites with HP-LT unit constitutes a new example of a paired metamorphic belt along the South American margin. We propose that in addition to crustal thinning, underplating of the Piedras gabbroic unit before 230 Ma provided the heat source necessary to foster crustal anatexis. Furthermore, its MORB signature shows that the asthenosphere was involved as the source of the heat anomaly. S-type felsic magmatism is widespread during this time and suggests that a large-scale thermal anomaly affected a large part of the South American margin during the late Triassic. We propose that crustal anatexis is related to an anomaly that arose during subduction of the Panthalassa ocean under the South American margin. Slab verticalization or slab break-off can be invoked as the origin of the upwelling of the asthenosphere.

Temperature-Time History of Subducted Continental-Crust, Mount Olympos Region, Greece

In the Mt. Olympos region of northeastern Greece, continental margin strata and basement rocks were subducted and metamorphosed under blueschist facies conditions, and thrust over carbonate platform strata during Alpine orogenesis. Subsequent exposure of the subducted basement rocks by normal faulting has allowed an integrated study of the timing of metamorphism, its relationship to deformation, and the thermal history of the subducted terrane. Alpine low-grade metamorphic assemblages occur at four structural levels. Three thrust sheets composed of Paleozoic granitic basement and Mesozoic metasedimentary cover were thrust over Mesozoic carbonate rocks and Eocene flysch; thrusting and metamorphism occurred first in the highest thrust sheets and progressed downward as units were imbricated from NE to SW. 40Ar/39Ar spectra from hornblende, white mica, and biotite samples indicate that the upper two units preserve evidence of four distinct thermal events: (1) 293–302 Ma crystallization of granites, with cooling from >550°C to <325°C by 284 Ma; (2) 98–100 Ma greenschist to blueschist-greenschist transition facies metamorphism (T∼350–500°C) and imbrication of continental thrust sheets; (3) 53–61 Ma blueschist facies metamorphism and deformation of the basement and continental margin units at T<350–400°C; (4) 36–40 Ma thrusting of blueschists over the carbonate platform, and metamorphism at T∼200–350°C. Only the Eocene and younger events affected the lower two structural packages. A fifth event, indicated by diffusive loss profiles in microcline spectra, reflects the beginning of uplift and cooling to T<100–150°C at 16–23 Ma, associated with normal faulting which continued until Quaternary time. Incomplete resetting of mica ages in all units constrains the temperature of metamorphism during continental subduction to T≤350°C, the closure temperature for Ar in muscovite. The diffusive loss profiles in micas and K-feldspars enable us to “see through” the younger events to older events in the high-T parts of the release spectra. Micas grown during earlier metamorphic events lost relatively small amounts of Ar during subsequent high pressure-low temperature metamorphism. Release spectra from phengites grown during Eocene metamorphism and deformation record the ages of the Ar-loss events. Alpine deformation in northern Greece occurred over a long time span (∼90 Ma), and involved subduction and episodic imbrication of continental basement before, during, and after the collision of the Apulian and Eurasian plates. Syn-subduction uplift and cooling probably combined with intermittently higher cooling rates during extensional events to preserve the blueschist facies mineral assemblages as they were exhumed from depths of >20 km. Extension in the Olympos region was synchronous with extension in the Mesohellenic trough and the Aegean back-arc, and concurrent with westward-progressing shortening in the external Hellenides.