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In festen azobenzenhaltigen Polymeren wurde bei Bestrahlung mit blauem Licht ein makroskopischer Materialtransport beobachtet. Um die Dynamik der Gitterentstehung zu verfolgen, wurde am Speicherring für Synchrotronstrahlung ein Gitterschreibaufbau errichtet. Damit konnte erstmals in dieser Arbeit die Gitterbildungsgeschwindigkeit in-situ simultan mit Röntgen- und Lichtstreuung untersucht werden. Mit Hilfe einer speziellen Anpassung der Röntgenstreutheorie konnten sehr gute Übereinstimmungen von theoretischen Berechnungen mit den Messergebnissen erzielt werden. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass sich zeitgleich mit einem Oberflächengitter auch ein Dichtegitter entwickelt. Durch die Trennung beider Streuanteile ließ sich die Dynamik der Strukturentstehungen bestimmen. Des weiteren konnte erstmals mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie die molekulare Orientierung an der Oberfläche eines Oberflächengitters nachgewiesen werden. Die Bewegungsursache kann auf einen Impulsübertrag während der Isomerisierung zurückgeführt werden, während die Bewegungsrichtung durch den elektrischen Feldvektor festgelegt wird. Die Theorie der Gitterentstehung konnte verbessert werden. / Solid azobenzene containing polymers show a macroscopic material transport under illumination with blue light. A writing setup was constructed at a synchrotron beamline in order to investigate the dynamics of the grating formation. With this setup it was possible to record the grating velocity for the first time simultaneously with x-ray and laser light scattering. <br /> A very good consistency could be achieved between the experiments and a suitable accomodation of the x-ray scattering theory. The theory reveals, that a density grating develops simultaneously with a surface grating. By separation of both parts the dynamics was determined for the density and the surface grating.<br /> The molecular ordering was determined at the surface with photoelectron spectroscopy. A momentum transfer could be identified as the source of the movement while the electric field defines the direction of the movement. The theory of the grating formation was improved.

This thesis is concerned with the study of two families of materials which contain magnetically frustrated triangular lattices. Each material is concerned with a different use; the first, analogues of YMnO₃, is from a family of materials called multiferroics, the second, A₂MCu₃F₁₂ (where A = Rb¹⁺, Cs¹⁺, M = Zr⁴⁺, Sn⁴⁺, Ti⁴⁺, Hf⁴⁺), are materials which are of interest due to their potentially unusual magnetic properties deriving from a highly frustrated Cu²⁺-based kagome lattice. YFeO₃, YbFeO₃ and InFeO₃ have been synthesised as their hexagonal polymorphs. YFeO₃ and YbFeO₃ have been studied in depth by neutron powder diffraction, A.C. impedance spectroscopy, Mössbauer spectroscopy and magnetometry. It was found that YFeO₃ and YbFeO₃ are structurally similar to hexagonal YMnO₃ but there is evidence for a subtle phase separation in each case. Low temperature magnetic properties are also reported, and subtle correlations between the structural, electrical and magnetic properties of these materials have been found. InFeO₃ was found to adopt a higher symmetry and is structurally similar to the high temperature phase of YMnO₃. TbInO₃ and DyInO₃ have also been synthesised and studied at various temperatures. The phase behaviour of TbInO₃ was analysed in detail using neutron powder diffraction and internal structural changes versus temperature were mapped out – there is also evidence for a subtle isosymmetric phase transition. Neither DyInO₃ nor TbInO₃ show long-range magnetic order between 2 and 300 K, or any signs of ferroelectricity at room temperature. The new compounds Cs₂TiCu₃F₁₂ and Rb₂TiCu₃F₁₂ have both been synthesised and shown to be novel kagome lattice based materials. The former shows a transition from rhombohedral to monoclinic symmetry in the powder form and from rhombohedral to a larger rhombohedral unit cell in the single crystal – a particle size based transition pathway is suggested. For Rb₂TiCu₃F₁₂ a complex triclinic unit cell is found, which distorts with lowering temperature. Both materials show magnetic transitions with lowering temperature. The solid solution Cs₂₋ₓRbₓSnCu₃F₁₂ (x = 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) was synthesised and investigated crystallographically, demonstrating a range of behaviours. Rb₂SnCu₃F₁₂ displays a rare re-entrant structural phase transition. In contrast, Cs₀.₅Rb₁.₅SnCu₃F₁₂ shows only the first transition found in the Rb⁺ end member. CsRbSnCu₃F₁₂ adopts a lower symmetry at both room temperature and below. Cs₁.₅Rb₀.₅SnCu₃F₁₂ and Cs₂SnCu₃F₁₂ show a rhombohedral - monoclinic transition, which is similar to that found in Cs₂TiCu₃F₁₂.

The development of a clean hydrogen economy will aid a smooth transition from fossil fuels which is required to stem the environmental impact and economic instability caused by oil dependency. For vehicular application, in addition to being cheap and safe, a commercial hydrogen store must contain a certain weight percentage of hydrogen to provide a reasonable range (~300 miles). It must also be able to release hydrogen under near-ambient conditions (80-120°C) and have a reasonable cycling capacity (~1000 cycles). The primary motivation of this thesis is to gain a fundamental understanding into the sorption processes of hydrogen on carbon- and aluminium-based materials to improve their hydrogen storage capacity. The sorption processes of hydrogen on mechanically milled graphite have been investigated, primarily using Electron Spin Resonance Spectroscopy and Inelastic Neutron Scattering. An investigation into the storage properties of tetrahydroaluminates, primarily NaAlH₄ and LiAlH₄, is performed in the presence and absence of a catalyst, and a new phase of NaAlH₄ is observed prior to its decomposition. Variable temperature neutron and synchrotron diffraction, in conjunction with gravimetric and mass spectroscopy data were obtained for several mixtures of tetrahydroaluminates and alkali amides and the hydrogen desorption processes are shown to be quite different from the constituent materials. The structure of Ca(AlH₄)₂ has been experimentally determined for the first time and a complete set of equations describing its decomposition pathway is given.

The objective of this thesis is to improve understanding of the development of corrosion products (scales) that form on the inner walls of carbon steel pipelines in CO2-rich (sweet) oilfield environments. If well adherent to the carbon steel surface, such scales can significantly reduce the metal’s rate of corrosion. Typically, the open literature labels sweet corrosion scale as ferrous (II) carbonate (FeCO3) or siderite, although this may not always be the case. For example, Fe2(OH)2CO3 (chukanovite) and Fe3O4 (magnetite) are known to modify the protective character of a sweet corrosion product scale. Practical electrochemical methods for the assessment of substrate corrosion, and electron/photon-based characterisation techniques for investigating scale structure and composition, have revealed interesting aspects of the nature of sweet corrosion scale development on model high purity Fe and real-world pipeline steel surfaces. Concerning scale development on model Fe substrates immersed in CO2-saturated deionised water (buffered to pH = 6.8, T = 80°C, Ptotal = 1 bar), electrochemical data supplemented by grazing incidence x-ray diffraction (GIXRD) and scanning electron microscopy (SEM) show that a semi-protective mixed corrosion scale comprising siderite and chukanovite becomes a highly protective siderite scale with longer exposure time. The introduction of sodium chloride to the CO2-saturated solution (T = 80°C, pH = 6.8, Ptotal = 1 bar) impedes the rate of scale formation. Increasing [NaCl] from the start of experiment is suspected to limit the precipitation kinetics of sweet corrosion scale crystals, since chukanovite is no longer observed, and siderite formation is somewhat slowed as well. SEM imaging, using an electronic workfunction-sensitive detector (in lens), reveals nanoscale deposits on the corroded Fe surface in regions that are devoid of µm-scale crystals. With the Raman spectra from these regions considered, it is interpreted that the nanoscale deposits are likely amorphous iron carbonate, albeit oxidised to a significant extent. Moving to real-world carbon steel immersion in sweet solutions, a scale comprising predominantly chukanovite is observed (using GIXRD and SEM) on the 1% Ni weld zone (WZ) surface of a pipeline weld-joint, but not on adjacent, distinct regions (heat affected zones (HAZ) and base metal (BM)). This selective scaling is suggested to be due to some initial corrosion of the weld-joint, which generates sufficient [Fe2+(aq)], and a macro-galvanic effect across the weld, i.e. WZ is cathodic to HAZ and BM. Further, to gain mechanistic insight into compositional changes during sweet corrosion scale growth, an electrochemical cell for in situ GIXRD (named E-cell) has been developed and commissioned. Diffraction patterns acquired using synchrotron radiation, from a pipeline steel surface, reveal the formation and temporal evolution of a multicomponent corrosion scale. Accompanying electrochemical data suggest that the scale is quite protective.

Ziel dieser Arbeit war es, das LISICON Li3Cr2(PO4)3 als einen Kandidaten für Hochvoltkathodenmaterialien eingehend zu charakterisieren. Dabei lag der Schwerpunkt auf den strukturellen in situ Untersuchungen mittels Synchrotronstrahlung und der Aufdeckung etwaiger limitierender Prozesse. Für diese Arbeit wurde der neue Messplatz P02.1 an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III, DESY Hamburg für in situ Batterieuntersuchungen evaluiert. In Abhängigkeit von der 2D-Detektorposition können maximale q-Bereiche von bis zu 35 Å-1 oder instrumentelle Auflösungen bis zu 0,0055 Å-1 erzielt werden. Hervorzuheben ist außerdem die zeitliche Auflösung von minimal 130 ms je Diffraktogramm. Mittels galvanostatischen Messungen eines Li3Cr2(PO4)3-haltigen Komposits (80 % (w/w) Aktivmaterial) konnten zwei Lade- und ein Entlademaximum zwischen 4,7 V und 4,9 V vs. Li+/Li nachgewiesen werden. Jedoch beträgt die Coulomb-Effizienz lediglich 60 % (bei 60 mAh/g oxidativer Ladungsmenge). Eine maximale Coulomb-Effizienz von ca. 80 % wurde bei niedrigeren Temperaturen um den Gefrierpunkt gemessen. Neben strukturellen Änderungen ist eine Elektrolytzersetzung nicht auszuschließen, wobei eine mittels XPS nachgewiesene Grenzschicht zwischen Kathode und Elektrolyt diesen vor einer übermäßigen Reaktion zu schützen scheint. Erstmalig ließ sich mittels der Photoelektronenspektroskopie das aktive Redoxpaar Cr4+/Cr3+ in einer Phosphatmatrix nachweisen. Wie die in situ Untersuchungen zeigen, scheint dies mit der Bildung von Chrom-Sauerstoff-Doppelbindungen einherzugehen. Sowohl sich gegenläufig entwickelnde transständige Chromsauerstoffabstände als auch die Verringerung der Phosphorbesetzungszahlen sind starke Indizien für diese neuartige oktaedrische Koordination des Chroms. Diese als sehr stabil einzuschätzende Chromylverbindung, eine nachgewiesene stark anisotrope Kontraktion der Einheitszelle und mittels REM erkennbare Risse in den aktiven LISICON-Kristalliten werden als Hauptursachen für die relativ geringe De- und Reinterkalierbarkeit von Lithium in die Struktur des hier untersuchten Li3Cr2(PO4)3 angesehen.:I Einleitung und Grundlagen 1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Elektrochemische Grundlagen 2.1.1 Prinzip und Elektrodenmaterialien einer Lithiumionenbatterie 2.1.2 Grundlegende elektrochemische Gesetze und Größen 2.1.3 Elektrochemische Methoden 2.2 Strukturmodellverfeinerung 2.2.1 Lage und Intensität von Bragg-Reflexen 2.2.2 Rietveld-Methode 2.2.3 Profilfunktion 2.2.4 Fehlerbetrachtung 2.2.5 Beschränkung verfeinerter Parameter II Untersuchte Materialien und experimentelle Aufbauten 3 Die monokline Struktur und Eigenschaften von Li3Cr2(PO4)3 4 Charakterisierungsmethoden und experimentelle Aufbauten 4.1 Elektrochemie 4.2 Photoelektronenspektroskopie 4.3 Rasterelektronenmikroskopie III Evaluierung eines neuen in situ-Diffraktionsmessplatzes 5 Strahlquellen zur in situ-Charakterisierung von Batteriematerialien 5.1 Vom Labordiffraktometer zum Synchrotron 5.2 Messplätze am DESY Hamburg 6 Aufbau des in situ-Messplatzes an der Beamline P02.1 6.1 Diffraktometer und Zellhalter 6.2 Entwicklung einer neuen in situ-Messzelle 6.3 Programme zum Auswerten von 2D-Diffraktogrammen 7 Leistungsfähigkeit des in situ-Messplatzes an der Beamline P02.1 7.1 Elektrochemische Funktionalität des neuen Zelldesigns 7.2 In situ-Synchrotron-Pulver-Diffraktion mit dem neuen Messaufbau 7.3 Beiträge zum Untergrund 7.4 Zeitauflösung und Diffraktogrammqualität 7.5 Detektierbarer q- bzw. 2 -Bereich 7.6 Instrumentelle Auflösung IV Untersuchungen am System Li3Cr2(PO4)3 8 Elektrochemisches Verhalten von Li3Cr2(PO4)3 8.1 Einfluss der Ladeschlussspannung und des Lithiumumsatzes 8.2 Einfluss des Lade- bzw. Entladestroms 8.3 Einfluss der Temperatur 9 Photoelektronenspektroskopische Charakterisierung der Chrom-Valenzzustände 9.1 Spektren des Ausgangszustands und Energiekalibrierung 9.2 Charakterisierung der oxidierten Zustände 10 Rasterelektronenmikroskopische Morphologieuntersuchungen 10.1 REM-Aufnahmen des Ausgangszustands 10.2 REM-Aufnahmen des oxidierten Zustands 10.3 Diskussion zur kritischen Kristallitgröße 11 In situ-Strukturuntersuchung 11.1 Elektrochemisches Verhalten in der in situ-Zelle 11.2 Strukturmodell des Ausgangszustands 11.3 Strukturmodellauswahl für die oxidierten Zustände 11.4 Entwicklung der Gitterparameter 11.5 Entwicklung der Atomkoordinaten und Besetzungszahlen 11.6 Mikrostrukturausbildung und Gleitebenen V Zusammenfassung und Ausblick / Aim of this work is the investigation of a compound of the LISICON family Li3Cr2(PO4)3 as a high voltage cathode material in lithium ion batteries. This thesis focuses on the monitoring of structural fatigue mechanisms using synchrotron radiation. A new in situ experimental setup at the beamline P02.1 (PETRA III, DESY Hamburg) was evaluated. In dependence on the 2D detector position either a q-range of 35 Å-1 or an instrumental resolution of 0.0055 Å-1 were determined. A time resolution of 130 ms per diffractogram with still outstanding signal statistics shall be pointed out. By galvanostatic cycling of a Li3Cr2(PO4)3-composite (80 % (w/w) active material) partially reversible redox behavior at 4.7 V and 4.9 V vs. Li+/Li was demonstrated. A coulombic efficiency of 60 % (at 60 mAh/g oxidative charge amount) was measured at room temperature. It can be increased to 80 % at 0 °C. Electrolyte decomposition has to be considered as one possible reason for the limited electrochemical reversibility. A solid electrolyte interface, which was proven by XPS measurements, seems to protect the electrolyte against further decomposition. For the first time, the active redox pair Cr4+/Cr3+ in a phosphate matrix was proven by XPS. Most likely this behavior is accompanied by the formation of chromium-oxygen double bonds, as derived from the in situ synchrotron XRD data. Both an opposing trend in trans-positioned chromium-oxygen bond distances and the less occupied phosphorus positions give strong hints on this octahedral coordination of chromium. The chromyl group is estimated as strong bond and therewith the strongly anisotropic contraction of the unit cell and the formation of visible cracks (as found REM) in the active crystals are indicated as further reasons for the limited electrochemical reversibility for Li-intercalation and deintercalation of the investigated Li3Cr2(PO4)3.:I Einleitung und Grundlagen 1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Elektrochemische Grundlagen 2.1.1 Prinzip und Elektrodenmaterialien einer Lithiumionenbatterie 2.1.2 Grundlegende elektrochemische Gesetze und Größen 2.1.3 Elektrochemische Methoden 2.2 Strukturmodellverfeinerung 2.2.1 Lage und Intensität von Bragg-Reflexen 2.2.2 Rietveld-Methode 2.2.3 Profilfunktion 2.2.4 Fehlerbetrachtung 2.2.5 Beschränkung verfeinerter Parameter II Untersuchte Materialien und experimentelle Aufbauten 3 Die monokline Struktur und Eigenschaften von Li3Cr2(PO4)3 4 Charakterisierungsmethoden und experimentelle Aufbauten 4.1 Elektrochemie 4.2 Photoelektronenspektroskopie 4.3 Rasterelektronenmikroskopie III Evaluierung eines neuen in situ-Diffraktionsmessplatzes 5 Strahlquellen zur in situ-Charakterisierung von Batteriematerialien 5.1 Vom Labordiffraktometer zum Synchrotron 5.2 Messplätze am DESY Hamburg 6 Aufbau des in situ-Messplatzes an der Beamline P02.1 6.1 Diffraktometer und Zellhalter 6.2 Entwicklung einer neuen in situ-Messzelle 6.3 Programme zum Auswerten von 2D-Diffraktogrammen 7 Leistungsfähigkeit des in situ-Messplatzes an der Beamline P02.1 7.1 Elektrochemische Funktionalität des neuen Zelldesigns 7.2 In situ-Synchrotron-Pulver-Diffraktion mit dem neuen Messaufbau 7.3 Beiträge zum Untergrund 7.4 Zeitauflösung und Diffraktogrammqualität 7.5 Detektierbarer q- bzw. 2 -Bereich 7.6 Instrumentelle Auflösung IV Untersuchungen am System Li3Cr2(PO4)3 8 Elektrochemisches Verhalten von Li3Cr2(PO4)3 8.1 Einfluss der Ladeschlussspannung und des Lithiumumsatzes 8.2 Einfluss des Lade- bzw. Entladestroms 8.3 Einfluss der Temperatur 9 Photoelektronenspektroskopische Charakterisierung der Chrom-Valenzzustände 9.1 Spektren des Ausgangszustands und Energiekalibrierung 9.2 Charakterisierung der oxidierten Zustände 10 Rasterelektronenmikroskopische Morphologieuntersuchungen 10.1 REM-Aufnahmen des Ausgangszustands 10.2 REM-Aufnahmen des oxidierten Zustands 10.3 Diskussion zur kritischen Kristallitgröße 11 In situ-Strukturuntersuchung 11.1 Elektrochemisches Verhalten in der in situ-Zelle 11.2 Strukturmodell des Ausgangszustands 11.3 Strukturmodellauswahl für die oxidierten Zustände 11.4 Entwicklung der Gitterparameter 11.5 Entwicklung der Atomkoordinaten und Besetzungszahlen 11.6 Mikrostrukturausbildung und Gleitebenen V Zusammenfassung und Ausblick

Le but principal de ce travail était d'optimiser le processus standard d'étirage des tubes de manière à contrôler l'excentricité, qui peut être la réduction ou l'augmentation de l'excentricité. Pour cette raison, l'inclinaison et / ou le déplacement ont été introduits respectivement dans le matrice et / ou le tube. Plusieurs tubes de matériaux différents - tels que le cuivre, l'aluminium, le laiton et l'acier - de différentes dimensions ont été étudiés. L’effet sur l'excentricité a été analysé en utilisant divers angles d'inclinaison, valeurs de déplacement ou combinaison d'inclinaison et de décalage. Tout en influençant et en contrôlant l'excentricité, l'évolution des contraintes résiduelles et de la texture due à l'inclinaison et / ou au décalage introduits ont été étudiées. L'autre objectif de ce travail était de développer un modèle FEM universel, afin d'obtenir les paramètres d'entrée requis, liés au matériau ou au processus ou aux deux. Ce modèle FEM a été utilisé pour accomplir la simulation du processus de formage du métal défini par l'utilisateur et pour analyser des situations plus complexes. À cet égard, un modèle de simulation multi-échelle a été développé à l'aide d'une méthode de simulation multi-échelle avec l'approche Integrated Computational Material Engineering. / The main and foremost aim of this work was to optimize the standard tube drawing process in a way that the eccentricity can be controlled, which can be the reduction or increase of eccentricity. For this reason, tilting and/or shifting was introduced to the die and/or tube, respectively. Different tubes of varied materials, such as copper, aluminum, brass, and steel with different dimensions were investigated by various tilting angles, shifting values, or combination of tilting and shifting and their effect on the eccentricity was analyzed. Along influencing and controlling the eccentricity, the evolution of the residual stresses and texture due to the introduced tilting and /or shifting were investigated. The other aim of this work was to develop a universal FEM model, which can get the required or desired input parameters, which can be material-related or process related or both, and perform the simulation of the user-defined metal forming process and therewith analyze more complex situations. In this regard, a simulation model was developed using a multiscale simulation method with Integrated Computational Material Engineering approach.