Structural Characterization of Micro- and Mesoporous Carbon Materials Using In Situ High Pressure 129Xe NMR Spectroscopy

In situ high pressure 129Xe NMR spectroscopy in combination with volumetric adsorption measurements were used for the textural characterization of different carbon materials with well-defined porosity including microporous carbide-derived carbons, ordered mesoporous carbide-derived carbon, and ordered mesoporous CMK-3. Adsorption/desorption isotherms were measured also by NMR up to relative pressures close to p/p0 = 1 at 237 K. The 129Xe NMR chemical shift of xenon adsorbed in porous carbons is found to be correlated with the pore size in analogy to other materials such as zeolites. In addition, these measurements were performed loading the samples with n-nonane. Nonane molecules preferentially block the micropores. However, 129Xe NMR spectroscopy proves that the nonane also influences the mesopores, thus providing information about the pore system in hierarchically structured materials.

An in situ high pressure FT-IR study of CO2/H2 interactions with model ZnO/SiO2, Cu/SiO2 and Cu/ZnO/SiO2 methanol synthesis catalysts

In situ FT-IR spectroscopy allows the methanol synthesis reaction to be investigated under actual industrial conditions of 503 K and 10 MPa. On Cu/SiO2 catalyst formate species were initially formed which were subsequently hydrogenated to methanol. During the reaction a steady state concentration of formate species persisted on the copper. Additionally, a small quantity of gaseous methane was produced. In contrast, the reaction of CO2 and H2 on ZnO/SiO2 catalyst only resulted in the formation of zinc formate species: no methanol was detected. The interaction of CO2 and H2 with Cu/ZnO/SiO2 catalyst gave formate species on both copper and zinc oxide. Methanol was again formed by the hydrogenation of copper formate species. Steady-state concentrations of copper formate existed under actual industrial reaction conditions, and copper formate is the pivotal intermediate for methanol synthesis. Collation of these results with previous data on copper-based methanol synthesis catalysts allowed the formulation of a reaction mechanism

Quantitative depth profiling of Ce 3+ in Pt/CeO 2 by in situ high-energy XPS in a hydrogen atmosphere

The redox property of ceria is a key factor in the catalytic activity of ceria-based catalysts. The oxidation state of well-defined ceria nanocubes in gas environments was analysed in situ by a novel combination of near-ambient pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and high-energy XPS at a synchrotron X-ray source. In situ high-energy XPS is a promising new tool to determine the electronic structure of matter under defined conditions. The aim was to quantitatively determine the degree of cerium reduction in a nano-structured ceria-supported platinum catalyst as a function of the gas environment. To obtain a non-destructive depth profile at near-ambient pressure, in situ high-energy XPS analysis was performed by varying the kinetic energy of photoelectrons from 1 to 5 keV, and, thus, the probing depth. In ceria nanocubes doped with platinum, oxygen vacancies formed only in the uppermost layers of ceria in an atmosphere of 1 mbar hydrogen and 403 K. For pristine ceria nanocubes, no change in the cerium oxidation state in various hydrogen or oxygen atmospheres was observed as a function of probing depth. In the absence of platinum, hydrogen does not dissociate and, thus, does not lead to reduction of ceria.

High pressure surface plasmon spectroscopy

Der Einfluß von Druck auf die Eigenschaften dünner dielektrischer Filme wurde mit Hilfe von Oberflächenplasmonen-Spektroskopie untersucht. Die Arbeit kann aus der Perspektive der Materialcharakterisierung und aus apparativer Sicht betrachtet werden, da z.B. eine neue Hochdruckzelle konstruiert wurde, die kombinierte Oberflächenplasmonen-Elektrochemie Messungen erlaubt. SiO2-Solgel Filme wurden optimiert und auf ihre Widerstandsfähigkeit in Bufferlösungen und ihre Oberflächeneigenschaften hin untersucht. Eine Anwendung lag in der Charakterisierung von thermoresponsiven Acrylsäureisopropylamid Hydrogelen, die einen Volumenphasenübergang aufwiesen, dessen Eigenschaften durch Druck und die Beschränktheit des Films auf die Oberfläche beeinflußt wurden.Die Charakterisierung von DNA Hybridisierungsreaktionen an Oberflächen wurde mit einer Fluoreszenz-erweiterten Hochdruckapparatur durchgeführt. Zunächst wurde die Stabilität der zugrundeliegenden Bindematrix sichergestellt. Bei DNA Einzelsträngen führten Temperatur und Druck zu jeweils verringertem bzw. erhöhtem Signal. Entropie und Änderungen der Lösungsmitteleigenschaften wurden für die Signaländerungen verantwortlich gemacht. Die Eigenschaften der Doppelhelix wurden im Langmuir-Bild beschrieben. Der Brechungsindex von Kohlendioxid wurde bis zu 200 MPa gemessen und mit vorhandenen Gleichungen verglichen. Weiterhin wurde das Schwellverhalten von PMMA in scCO2/MMA-Mischungen untersucht. Mit Druck und MMA-Konzentration nimmt das Polymer vermehrt Kohlendioxid auf. Dadurch schwillt es an und sein Brechungsindex nimmt ab. Berechnungen unter Annahme einer idealen Mixtur ergaben gute qualitative Übereinstimmung mit den Meßwerten.Abschließend wurde eine neue Elektrochemie-Hochdruckzelle vorgestellt, die an Kaliumhexacyanoferrat(III)-(II) getestet wurde. Die Elektropolymerisation von Thiophen optisch untersucht.

Phonon interference in BaTiO3: High-pressure Raman study

Raman experiments have been carried out on single crystals of BaTiO3 as a function of pressure up to 3.5 GPa across the ferroelectric (tetragonal) to paraelectric (cubic) phase transition. The unusual features in the Raman spectra associated with the interference effects due to coupling of the three A1(TO) phonons are studied quantitatively to obtain the pressure dependence of the line shape parameters and the coupling constants. The frequencies of the middle and highest-frequency modes as well as the linewidth of the middle mode show interesting pressure dependence.