6 Materialchemie
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Spurenelemente spielen eine wichtige Rolle bei der Verfeinerung der Eigenschaften von komplexen Materialien. Diese Arbeit zeigt die Korrelation zwischen der Mikrostruktur, der Gitterfehlpassung und den Kriecheigenschaften. Die Legierung Al10Co25Cr8Fe15Ni36Ti6 (in at. %) mit komplexer Zusammensetzung wurde mit den Elementen Hf und W verstärkt. Die Zugabe von Hf bewirkt eine eckigere Form der würfelförmigen gamma'-Ausscheidungen und einen erhöhten Anteil der Heusler-Phase. Die Zugabe von W wiederum formt die Würfelchen rundlicher und löst die Heusler-Phase auf. Eine Mischung der beiden Spurenelemente zeigt einen Übergang zwischen den beiden Extremen, sowohl in Hinsicht auf die Form der Ausscheidungen als auch in Bezug auf die Gitterfehlpassung und die Kriecheigenschaften.
Zirconium vanadate (ZrV2O7) is a well-known negative thermal expansion (NTE) material that exhibits significant isotropic contraction over a broad temperature range (~150°C < T < 800°C). Therefore, it can be used to create composites with controllable expansion coefficients and prevent thermal stress, fatigue, cracking, and deformation at interfaces. We implement interdisciplinary research to analyze such material. We study the influence of the synthesis methods and their parameters on the sample's purity, crystallinity, and homogeneity. Moreover, we implement ab initio-based vibrational computations with partially treated anharmonicity in combination with experimental methods to follow temperature-induced structural changes and rationalize the negative thermal expansion in this material, including the influence of the local structure disorder.
To arrive to sustainable hydrogen-based energy solutions, the understanding of water-splitting catalysts plays the most crucial role. Herein, state-of-the-art hypotheses are combined on electrocatalytic active metal sites toward the oxygen evolution reaction (OER) to develop a highly efficient catalyst based on Earth-abundant cobalt and zinc oxides.
The precursor catalyst Zn0.35Co0.65O is synthesized via a fast microwaveassisted approach at low temperatures. Subsequently, it transforms in situ from the wurtzite structure to the layered γ-Co(O)OH, while most of its zinc leaches out. This material shows outstanding catalytic Performance and stability toward the OER in 1 m KOH (overpotential at 10 mA cm−2 ηinitial = 306 mV, η98 h = 318 mV). By comparing the electrochemical results and ex situ analyses to today’s literature, clear structureactivity correlations are able to be identified. The findings suggest that coordinately unsaturated cobalt octahedra on the surface are indeed the active centers for the OER.
The mechanism of action of zirconium permanent modifiers on graphite surfaces was investigated in order to understand its influence on the analytical signal in atomic and molecular absorption spectrometry (AAS/MAS). For this, the molecule formation of CaF was studied, which is used for the indirect analytical determination of fluorine in high-resolution continuum source graphite furnace molecular absorption spectrometry (HR-CS-GFMAS). The kinetics of this reaction was established by monitoring its molecular spectrum at different atomisation temperatures. An Arrhenius plot showed a pseudo-first order reaction with respect to fluorine (n = 1). An intermediate state was isolated, and its structure was elucidated by spectroscopic methods: scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEMEDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption spectroscopy (XANES and EXAFS), and Raman microspectroscopy. We propose here a mechanism, where ZrO2 acts as a heterogeneous catalyst: after a pyrolytic step, an intermediate state of ZrO(OCaF) is activated, and at higher temperatures, CaF(g) is released from the zirconium-coated graphite surface. No evidence of the formation of zirconium carbide was found. Consequently, as the CaF formation is catalysed by a heterogeneous catalyst, surface modifications with ZrO2 nanoparticles and ZrO xerogels were investigated in order to increase the surface area. Their influence was evaluated in the molecule formation of CaF, CaCl, CaBr, and CaI. Graphite furnace modification with zirconium oxide nanoparticles proves to be the best choice for fluorine analysis with a signal enhancement of more than eleven times with respect a non-coated graphite furnace. However, the influence of zirconium modifications in the analytical signals of Cl, and I is lower than the F signals or even negative in case of the Br. Understanding zirconium modifiers as heterogeneous catalysts offers a new perspective to AAS and MAS, and reveals the potential of surface analytical methods for development of improved permanent modifiers and graphite furnace coatings.
Zirconium chloro fluoride as catalyst for C-F bond activation and HF transfer of fluoroalkanes
(2024)
In this work1, we have successfully synthesised amorphous zirconium chloro fluoride (ZCF), which exhibits medium lewis acidity. In addition to investigating the local coordination sphere around the Zr atoms and the material properties, we were able to establish a catalytic behavior of ZCF in C-F bond activation reactions. We present the first heterogeneous catalyst that performs dehydrofluorination of a fluoroalkane and consecutive hydrofluorination of an alkyne at room temperature.
Zirconium chloro fluoride as catalyst for C-F bond activation and HF transfer of fluoroalkanes
(2023)
In this work, we successfully synthesized amorphous zirconium chloro fluoride (ZCF), which exhibits medium lewis acidity. In addition to investigating the local coordination sphere around the Zr atoms and the material properties, we were able to establish a catalytic behavior of ZCF in C-F bond activation reactions. We present a heterogeneous catalyst that performs dehydrofluorination of a fluoroalkane and consecutive hydrofluorination of an alkyne at room temperature.
This paper reports the formation of zinc phosphate nanoparticles from the artificial digestion of zinc chloride. Initially, the formation of amorphous primary particles with a mean radius of 1.1 nm is observed, alongside the formation of larger, protein stabilized aggregates. These aggregates, with a radius of gyration of 37 nm, are observed after 5 minutes of exposure to artificial saliva and are shown to be colloidally stable for a minimum time of two weeks. The initially formed primary particles are thought to consist of amorphous zinc phosphate, which is then transformed into crystalline Zn3(PO4)2·4H2O over the course of two weeks. Our results demonstrate that the interaction of inorganic salts with bodily fluids can induce the formation of de novo nanoparticles, which in turn, provides insights into how zinc‐enriched foods may also facilitate the formation of nanoparticles upon contact with saliva. As such, this may be considered as an undesirable (bio)mineralization.
Der Vortrag widmet sich der „Zentrifugentechnologie zur statistischen Untersuchung von Stumpfklebungen“ und beschreibt drei wesentlich verschiedene Realsysteme (Fügefläche 1/Klebstoff/ Fügefläche 2), um die Statistik ZPM (wiederholte Ein-Proben-Prüfung) vs. CAT (Mehr-Proben-Prüfung) zu vergleichen. Dazu wurden drei unterschiedliche Klebstoff-klassen mit typischen Fügeteilmaterialkombinationen ausgewählt und in einem Vorversuch mit jeweils 3 unterschiedlichen Prüfgeschwindigkeiten sowohl im Weg-geregelten als auch Kraft-geregelten Mode beansprucht. Die Ergebnisse ZPM vs. CAT und Kraft- vs. Weg-Regelung des Vorversuches zeigten keinerlei Unterschiede auf. Im Ergebnis wurde ein Ringversuch im Kraft-geregelten Mode (6xZPM vs. 8xCAT) für ein Referenzsystem durchgeführt, der nachwies, dass die CAT-Technologie statistisch relevante Prüfergebnisse zur Klebfestigkeit bereitstellt. Es zeigte sich, dass für zwei ZPM-Teilnehmer im Vertrauensbereich 99% statistisch signifikant etwas kleinere Werte der Klebfestigkeit bestimmt wurden, was auf geringfügige Abweichungen von der axialen Ausrichtung des eingespannten Prüflings bei der Ein-Proben-ZPM-Zugprüfung zurückgeführt wird.
Das Fügeverfahren Kleben bietet viele Vorteile, wie z.B. das Verbinden unterschiedlicher Materialklassen, geringe thermische Belastung (und damit ggf. verbundene Strukturveränderung/-schwächung) der Fügeteile und eine Lastverteilung über den gesamten Fügebereich. Die Auswahl an verfügbaren Klebstoffen und Vorbehandlungsoptionen sind dabei - wie die Applikationen auch - vielfältig. Es werden vier Applikationsbeispiele zu Referenzklebverbunden aus Edelstahl, zur Plasmaaktivierung von Niedrigenergie-Polymeren, zur Bestimmung der Haftfestigkeit von Lackierungen auf GFK und zur Wirkung von Primern vorgestellt. Einige Polymere weisen z.B. Eigenschaften auf, die eine Herstellung von festen und dauerhaft beanspruchbaren Kleb-verbindungen erschweren. Im Allgemeinen geht dies mit geringen Oberflächenenergien einher. Mittels Oberflächenvorbehandlung, z.B. durch Plasmafeinreinigung bzw. Plasmaaktivierung, können die Grenzflächen solcher Polymere - bezogen auf die Eignung als Fügeteile (Klebfestigkeit) oder als Substrat (Haftfestigkeit) – optimiert bzw. die Oberflächenenergie erhöht werden. Schnelle, zuverlässige und statistisch abgesicherte Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbund-eigenschaften sind dabei unverzichtbar.
Das Fügeverfahren Kleben bietet viele Vorteile wie z.B. das Verbinden schwieriger Materialklassen, geringe thermische Belastung (Strukturveränderung/-schwächung) der Fügepartner und eine Lastverteilung über den gesamten Fügebereich. Die Auswahl an verfügbaren Klebstoffen und Vorbehandlungsoptionen ist dabei ebenfalls vielfältig. Einige Polymere weisen darüber hinaus Eigenschaften auf, die eine Herstellung von festen und dauerhaft beanspruchbaren Klebverbindungen erschweren. Mittels Oberflächenbehandlung, z.B. durch Plasmafeinreinigung bzw. –aktivierung, können die Grenzflächern solcher Polymere - bezogen auf die Eignung als Fügeteilpartner – optimiert werden. Schnelle Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbundeigenschaften sind somit erforderlich.
Das Messprinzip Centrifugal Adhesion Testing Technologie verwendet die radial gerichtete Zentrifugalkraft als Belastungsgröße des zu testenden Verbunds, die durch Variation der Drehzahl gesteuert wird. Bei Erreichen der kritischen Beanspruchung trennt sich ein aufgeklebter Prüfstempel vom Substrat. Zeitgleich wird ein positionsbezogenes IR-Signal aus dem drehenden Rotor an das Basisgerät gesendet und zusammen mit der Drehzahl an die PC-Software übertragen. Für jede Probe wird die Bruchkraft berechnet und in Echtzeit angezeigt. Der Adhesion Analyser LUMiFrac® untersucht bis zu acht Prüfkörper unter identischen Bedingungen. Das neue Messprinzip erfüllt die Anforderungen von DIN EN 15870, DIN EN 14869-2, ISO 4624 sowie DIN EN 13144.
Die Multiprobentestung ermöglicht schnelle Charakterisierungen von Klebverbindungen. So kann der Effekt einer Plasmabehandlung von Bauteilen auf die Verbundfestigkeit zeitsparend bestimmt werden. Die gezielte Veränderung unterschiedlicher Plasma-Parameter, wie beispielsweise, die Plasmazusammensetzung, der Abstand vom Plasmabrenner zur Oberfläche oder die Verweildauer unter dem Brenner, beeinflußt die Festigkeit des Klebsystems und ist dem LUMiFrac direkt quantifizierbar.
Neben der Festigkeitsbestimmung von Klebverbindungen ist die Haftung von Schichtsystemen ein wichtiger Anwendungsbereich. Ergebnisse für Zug- und Scherbeanspruchung, realisiert mit unterschiedlichen Prüfkörper-Geometrien, werden vorgestellt. Ferner werden verschiedene festigkeitsbeeinflussende Faktoren, wie Prüfgeschwindigkeit oder Substratverformung bei Beanspruchung untersucht
You Ask – ACEnano Replies
(2020)
The workshop starts with introductory information about the workshop and the H2020 project ACEnano, followed by two expert round tables, focussing on how the project could address regulator and industry needs, respectively. This is be followed by parallel sessions on tools (based on preferences expressed by those registered to attend, see “Questions”) and finally a question-and-answer session with the attendees.
The experts invited in Round Table 1 have been prepared to answer to questions related to obstacles and advantages for stakeholders such as SMEs to use the ACEnano approaches/tools. Standardisation needs are discussed.
X‑ray emission during the ablative processing of biological materials by ultrashort laser pulses
(2023)
The ablative laser processing with ultrashort pulsed laser beams may cause secondary emission of hazardous X-rays. While the effect has recently been proven to be considered in working safety regulations when processing technical materials, such as metals, the X-ray emission rates during the ablative processing of biological tissue materials are widely unexplored yet.
Therefore, biological materials like water, isotonic saline solution, pig eyes, and human teeth were ablated with ultrashort laser pulses of 1030 nm wavelength, 600 fs pulse duration and 5 kHz pulse repetition rate, aiming to mimic typical surgery situations. Simultaneously, in-situ X-ray dose rate measurements were performed at a short distance from the plasma to display potential X-ray emission. For all four studied biological materials, our measurements prove the secondary emission of laser-induced X-rays.
The principles of (Hard) X-ray photoelectron spectroscopy and some application in the field of (core-shell) nanoparticles will be presented. The presentation should answer hoe to get reliable results. Furthermore, examples of the correlation between physical-chemical measurments and toxicological results are given which are crucial for the risk assessment of nanoparticles.
The datasets from (Hard Energy) X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray diffraction and Scanning Electron Microsopy are related to the publication
G. Chemello, X. Knigge, D. Ciornii, B.P. Reed, A.J. Pollard, C.A. Clifford, T. Howe, N. Vyas, V.-D. Hodoroaba, J. Radnik
"Influence of the morphology on the functionalization of graphene nanoplatelets analyzed by comparative photoelectron spectroscopy with soft and hard X-rays"
Advanced Materials Interfaces (2023), DOI: 10.1002/admi.202300116.
This application note presents how EnviroESCA can be used to analyze bacterial samples under near ambient pressure conditions in various states of hydration using different levels of humidity. Such investigations of bacterial cell wall surfaces in their hydrated state are essential for studying biological interfaces at work.
The use of innovative near-ambient pressure (NAP-)XPS instrumentation allows the detailed analysis of irregularly-surfaced biofilms. NAP-XPS enables the surface analysis of bacterial samples in their natural hydrated state without complex sample preparation techniques such as freeze-drying or fast-freezing, which are needed for XPS analysis in ultrahigh vacuum.
XPS of GR2M
(2022)
Direct Laser Writing (DLW) and X-ray computed tomography (XCT) both offer unique possibilities in their respective fields. DLW produces full three-dimensional (3D) polymer structures on the microscale with resolutions below 100 nm. The fabricated structures can be analysed by XCT or X-ray microscopy (XRM), which incorporates additional X-ray lenses, in three dimensions down to a minimal basic spatial resolution of about 500 nm or 50 nm, respectively. In this work, two different DLW structures are analysed via XCT. Internal defects are detected and analysed for the purpose of quality control. Defects and structures with sizes down to 1.5 µm are successfully analysed. A 3D reconstruction and internal, hidden features of the fabricated structures are shown and discussed. In a first-of-its-kind study, we demonstrate the detectability of a single-voxel line inside a fabricated structure that would not be detectable with SEM or light microscopy. Furthermore, the direct fabrication on a PET substrate is shown to overcome the high X-ray absorbance of commonly used glass substrates. Attenuation spectra of SZ2080 and glass substrates are compared to a fabrication route direct on a 170 µm PET foil. The practical aspects of XCT measurements for DLW structures on different substrates will be discussed.
XAFS@BAMline
(2018)
X-ray Absorption fine structure spectroscopy (XAFS) is a frequently employed technique in order to investigate structural composition and Change of chemical compounds such as catalytic species or corrosion processes. These structural properties are essential (i) to understand underlying reaction mechanism and (ii) to further improve the design of materials.
While XAFS measurements are usually performed with ionization Chambers or simple fluorescence detectors, we at BAMline specialize in measurements with innovative set-ups that meet Specialrequirements such as time resolution, (3D-) spatial Resolution or demanding sample environments.
This contribution presents various available XAFS configurations with their corresponding applications. In particular, these comprise single -shot XAFS for time- resolved measurements, grazing-exit XAFS with energy and a spatially resolved detector for the characterization of thin films and an in situ grazing incidence Setup for the characterization of corrosion layers.
Additionally,the possibility of analyzing Minute samples in total-reflection geometry is demonstrated.