Röntgen-Transmissionsdiffraktometer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Charakterisierung von Mineralen und anorganischen kristallinen Materialien, insbesondere Zeolithe und Mullit-ähnliche Verbindungen. Hierbei wird vor allem die Option, kleine Probenmengen in Kapillaren in hoher Genauigkeit zu messen, genutzt. Im Rahmen größerer Vorhaben (s. 2.3) wurde das Pulverdiffraktometer zur Charakterisierung von Bi- Aluminaten und Gallaten, synthetischem Mullit, Aluminiumboraten, BaCaBO3F und für eine Reihe von Zeolithen, die in ihren Ammonium-getauschten Formen untersucht werden, eingesetzt. Weiterhin wurden in den ersten drei Jahren Arbeiten an Ga- Silleniten durchgeführt sowie an Fe-Ge-Mulliten, Clinoptilolith, Merlinoit und an Verbindungen der Mischreihe Li1-2xNixTiO(PO4). In einem Vorhaben zur Korrelation optischer Parameter mit kristallchemischen Eigenschaften wird das Diffraktometer zur Grundcharakterisierung der Materialien genutzt. Durchführung von Untersuchungen zum grundlegenden Verständnis der Mechanik von Kontakt und Adhäsion zwischen TiO2-basierten Nanopartikel-Aggregaten mit Primärdurchmessern zwischen 7 und 30 nm: Die Nanopartikel werden dabei mittels Flammen-Sprüh-Pyrolyse hergestellt und den Versuchen angepasst. Die vorgeschlagenen Arbeiten basieren auf den erfolgreichen Studien in der ersten SPP Projektphase und beinhalten eine Kombination von AFM Kraftspektroskopie, TEM Mikroskopie sowie klassische und coarse-grained moleküldynamische Simulationen. Dabei werden wir unser Verständnis zu Partikelgrößeneffekten in Zusammenhang mit Adsorbaten an der Oberfläche (polar und unpolar) auf die Partikel-Partikel Adhäsion im Nanometerbereich vertiefen. Entwicklung von Photoelektrolysezellen aus ungiftigen Metalloxiden mit optimierten Bandkanten, die Licht eines großen Spektralbereichs ausnutzen und daher eine hohe Effizienz aufweisen: Wir verfolgen dieses Ziel über die Kombination einer modernen Produktionstechnik mit dem kombinatorischen computergestützten Materialdesign: Heterostrukturen von zwei oder mehreren Metalloxidnanopartikeln werden mittels der neuartigen Doppelflammspraypyrolyse hergestellt, in der reine, dotierte und mischkristalline Metalloxidmaterialien verarbeitet werden. Die Zusammensetzung dieser Materialien wird mit Hilfe von kombinatorischen computergestützten Methoden auf Grundlage erster Prinzipien (Dichtefunktionaltheorie) vorhergesagt, wobei ein neues Konzept verwendet wird, das die Klassifizierung einer sehr großen Anzahl von Testsystemen erlaubt. Die neuen Partikel werden sorgfältig charakterisiert, wobei gemessene und simulierte Spektren (Röntgenbeugung, (HR)TEM, XANES und EELS-Spektren) verglichen werden. Systematische Untersuchungen an einzelnen brennenden Tropfen mit dem Ziel, ein qualitatives Modell der Flame Spray Pyrolysis zu entwickeln, um in die Wirkung der Tropfengröße, Wasserlöslichkeit, Precursor- Konzentration und anderer wichtiger Parameter zu beschreiben. Nach den ersten 5 erfolgreichen Jahren wird das Zentrum für Grundlagenwissenschaften zu Auswirkungen von Nanotechnologie in der Umwelt (eng. CEIN) weitere 5 Jahre von der Amerikanischen Forschungsgemeinschaft (NSF) und der amerikanischen Umweltbehörde (EPA) unterstützt. Damit stehen dem Zentrum für einen Zeitraum von insgesamt 10 Jahren 48 Millionen US$ zur Verfügung. Die Universität Bremen ist dabei der einzige integrierte Forschungspartner außerhalb der USA und forscht gemeinsam mit folgenden namenhaften Partnern: University of California Los Angeles (UCLA), UC Santa Barbara, UC Davis, UC Riverside, Columbia University, Northwestern University, University of New Mexico, University of Texas El Paso and University of Arizona. „Der Forschungsverbund ist international führend im hochaktuellen Forschungsbereich Nanomaterial-Biologiewechselwirkung. Die Beteiligung der Bremer Verfahrenstechnik ist eine ganz besondere Anerkennung für ihre geleistete Spitzenforschung“, betont Kurosch Rezwan, Konrektor für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs. Herstellung hoch spezifische Nanomaterialien, die als Forschungsbibliotheken für das Zentrum für Grundlagenwissenschaften zu Auswirkungen von Nanotechnologie in der Umwelt (eng. CEIN) dienen. In den letzten 5 Jahren war das Zentrum Vorreiter im Design und der Umsetzung von Hoch-Durchsatz- Verfahren (tausend Proben pro Woche) zur schnellen und preiswerten Untersuchung von quantitativen Struktur-Aktivitäts-Wechselbeziehungen (Untersuchung von Material- und „nano“- Eigenschaften und ihrer Wirkung auf die Umwelt). Die Materialien aus Bremen dienen dabei zur Entwicklung und Kalibrierung dieser Verfahren, aber auch zum größten Teil zur Erforschung von Wirkmechanismen. Dabei werden bei den amerikanischen Partnern Zell- und Bakterienexperimente, aber auch Experimente mit Wasserflöhen, Fischen, Seeigeln als auch Nutzpflanzen wie Zucchini oder Mais durchgeführt. Innerhalb des CEIN werden diese Materialien mit natürlich vorkommenden Nanopartikeln verglichen, um deren Transport, Aggregationsverhalten und Stabilität in Boden, Wasser und Luft abzuschätzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Dispersion of TiO2 Nanoparticle Agglomerates by Pseudomonas aeruginosa. Applied and Environmental Microbiology, vol. 76. 2010, no. 21, pp. 7292-7298.
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Horst, A.M., Neal, A.C., Mielke, R.E., Sislian, P.R., Suh, W.H., Mädler, L., Stucky, G.D., Holden, P.A.
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Growth of Ultrafine Single Crystalline WO3 Nanoparticles Using Flame Spray Pyrolysis. Crystal Growth & Design, Vol. 10. 2010, Issue 2, pp. 632–639.
Pokhrel, S., Birkenstock, J., Schowalter, M., Rosenauer, A., Mädler, L.
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Enhancing performance of FSP SnO2-based gas sensors through Sb-doping and Pd-functionalization. Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 158. 2011, Issue 1, pp. 388-392.
Großmann, K., Kovács, K.E., Pham, D.K., Mädler, L., Barsan, N., Weimar, U.
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Evidence for Fe2+ in Wurtzite coordination: iron doping stabilizes
ZnO nanoparticles. Small, Vol. 7. 2011, Issue 20, pp. 2879–2886.
Xiao, J., Kuc, A., Pokhrel, S., Schowalter, M., Rosenauer, A., Frauenheim, T., Mädler, L., Pettersson, L.G.M., Heine, T.
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Adhesion Mechanisms of the Contact Interface of TiO2 Nanoparticles in Films and Aggregates. Langmuir, Vol. 28. 2012, Issue 31, pp. 11457–11464.
Salameh, S., Schneider, J., Laube, J., Alessandrini, A., Facci, P., Seo, J.W., Ciacchi, L.C., Mädler, L.
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Bulk and Surface Excitons in Alloyed and Phase-Separated ZnO-MgO Particulate Systems. ACS Applied Materials & Interfaces, Vol. 4. 2012, Issue 5, pp. 2490-2497.
Zhang, H.J., Gheisi, A.R., Sternig, A., Muller, K., Schowalter, M., Rosenauer, A., Diwald, O., Mädler, L.
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Synthesis of polymer/inorganic nanocomposite films using highly porous inorganic scaffolds. Nanoscale, Vol. 4. 2012, Issue 7, pp. 2326-2332.
Zhang, H., Popp, M., Hartwig, A., Mädler, L.
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Ceramic Mask-Assisted Flame Spray Pyrolysis for Direct and Accurate
Patterning of Metal Oxide Nanoparticles. Advanced Engineering Materials, Vol. 15. 2013, Number 8, pp. 773-779.
Halfer, T., Zhang, H., Mädler, L., Rezwan, K.
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Double flame spray pyrolysis as a novel technique to synthesize alumina-supported cobalt Fischer–Tropsch catalysts. Catalysis Today, Vol. 214. 2013, pp. 90-99.
Minnermann, M., Grossmann, H.K., Pokhrel, S., Thiel, K., Hagelin- Weaver, H., Bäumer, M., Mädler, L.
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Synthesis, crystal structure and temperature-dependent behavior of gallogermanate tetrahydroborate sodalite |Na8(BH4)2|
[GaGeO4]6. Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 174. 2013, pp. 54-61.
Irma Poltz, Lars Robben, Josef-Christian Buhl, Thorsten M. Gesing
