Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Computational analysis of lithium ion batteries has been improved since Newman and et al. suggested the porous electrode theory. It assumed the electrode as a simple structure of homogeneous spherical particles. Bruggeman relationship which characterizes porous material by a simple equation was adopted in the homogeneous electrode model instead of the electrode morphology. To improve the prediction of a cell performance, the numerical analysis requires the realistic microstructure of the cell. Based on the experimentally determined microstructure of the positive and negative electrodes of a lithium ion battery (LIB) using x-ray micro/nano-CT technology, three dimensional (3D) simulations have been presented in this research. Tortuosity of the microstructures has been calculated by a linear diffusion equation to characterize the 3D morphology. The obtained tortuosity and porosity results pointed out that the Bruggeman relationship is not sufficiently estimate the tortuosity by the porosity of electrodes. We studied the diffusion-induced stress numerically based on realistic morphology of reconstructed particles during the lithium ion intercalation process. Diffusion-induced stresses were simulated at different C rates under galvonostatic conditions and compared with spherical particles. The simulation results showed that the intercalation stresses of particles depend on their geometric characteristics. The highest von Mises stress and tresca stress in a real particle are several times higher than the stresses in a spherical particle with the same volume. With the reconstructed positive electrode structure, local effects in the LIB cathode electrode during galvanostatic discharge process have been studied. The simulation results reported that large current density usually occurs at the joints between cathode active material particles and in the small channels in electrolyte, which will generate high electric joule power. By using the 3D real image of a LIB cathode electrode, numerical simulation results revealed that the spatial distribution of variable fields such as concentration, voltage, reaction rate, overpotential, and etc. in the cathode electrode are complicated and non-uniform, especially at high discharge rates.

Nowadays vehicle design paradigm influences not only the effectiveness of the different means of transport, but also the environment and economy in a critical way. The assessment of the consequences that design choices have on society at large are necessary to understand the limits of the methods and techniques currently employed. One of the mechanisms set in motion is the planned obsolescence of products and services. This has affected vehicle design paradigm in such a way that the variety in the market has shadowed the primary function of vehicle systems: the transport of persons and goods. Amongst the consequences of the expansion of such market is the exponential rise on combustion emissions to the atmosphere, which has become a great hindrance for humans health and survival of ecosystems. The development of evaluation tools for such consequences and their piloting mechanisms is needed so as to implement an ECO2  (Ecological and Economical) vehicle design paradigm. Moreover, the multifunctional design paradigm that drives aeronautical and vehicle engineering is an ever-growing demand of smart materials and structures, able to fulfil multiple requirements in an effective way. The understanding of certain phenomena intrinsic to the introduction of novel materials has found certain limits due to the complexity of the models needed. This work presents as a first step an assessment of the causes and consequences of the vehicle exponential market growth based on the analysis of the planned obsolescence within. Furthermore, a method for the acoustic response analysis of multilayered structures including anisotropic poroelastic materials is introduced. The methodology consists in a plane wave approach as a base for introducing the complex mechanic and acoustic equations governing anisotropic homogeneous media, e.g. open-celled foams, into an alternative mathematical tool manipulating physical wave amplitudes propagation within the studied media. In addition, this method is coupled to a power partitioning and energetic assessment tool so as to understand the phenomena present in complex multilayered designs. / <p>QC 20150323</p>

Im Zentrum dieser Dissertation stehen die Systeme von Platin und Palladium beladenen Indiumoxid-Aerogelen hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit als Katalysatoren für die Methanol-Dampfreformierung. Diese Reaktion ermöglicht aus der Umsetzung von Wasser und Methanol die Produktion von Wasserstoff für Brennstoffzellen und kann so einen Beitrag für eine nachhaltigere Energiewirtschaft leisten. Methanol reiht sich in eine Kandidatenliste der aussichtsreichsten Speichermoleküle für elektrische Energie in chemischen Bindungen ein. Im ersten Schritt wird dazu zunächst Wasserstoff aus Stromüberschüssen von erneuerbaren Energien gewonnen. Eine effiziente Einspeicherung und Freisetzung von Wasserstoff in Methanol im Kreislauf wird jedoch nur in Kombination mit Hochleistungskatalysatoren vorstellbar. Diese unterdrücken Nebenprodukte, beeinflussen das Reaktionsgleichgewicht und können so die gewünschten Reaktionen effizienter machen. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit die Konzepte des Einsatzes von Aerogelkatalysatoren beleuchtet und diskutiert. Zunächst werden Aerogele untersucht, welche über eine Epoxid-assistierte Gelierung synthethisiert wurden. Dem gegenüber gestellt werden Aerogele, welche über eine neu entwickelte wässrige Syntheseroute hergestellt werden konnten. Über die Epoxidmethode und die wässrige Synthese konnten Aerogele mit Stegbreiten um 5 nm und Oberflächen bis zu 200 m2 g-1 hergestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass über die wässrige Synthese reine Indiumoxid Aerogele mit vergleichbaren Eigenschaften erzeugt werden können. Am Beispiel der wässrigen Synthese werden anschließend die Ergebnisse zum Experiment Design über Bayesianische Optimierung erläutert. Mittels dieser Maschinen gestützten Methodik konnte das Verständnis von Einflussparameter wie Salzen, Temperatur, Nichtlösungsmitteln und Stabilistoren weiter gefördert werden. Ebenso konnten Einblicke in diese noch jüngere Methodik der Experimentplanung gewonnen werden. Die Einführung von Trägermaterialien wurde in dieser Arbeit am Beispiel von meso- und makroporösem Silica gezeigt. Zur Beladung wurden auch hier neue Wege in der Methode über Aggregate aus Zinkoxid und Palladium Nanopartikeln eingeschlagen. Weiterhin haben Trägermaterialien ebenfalls das Potenzial den finalen Katalysatorpreis zu senken und die Temperaturstabilität bei gleichzeitigem Erhalten von spezifischen Oberflächen von bis zu 450 m2 g-1 weiter zu erhöhen. Obwohl Aerogele nun schon länger als Wundermaterialien gelten, wurde der breite Einsatz in größerem Maßstabe durch die aufwendige Trocknungstechnik eingeschränkt. Dieser Sachverhalt wird untersucht, indem unterschiedliche Trocknungstechniken gegenübergestellt werden, um deren Praktikabilität und Einfluss auf Platin beladene Indiumoxid-Aerogele zu diskutieren. Über die Versuche von verschiedenen Trocknungsmethoden konnte gezeigt werden, dass die Trocknung über Verdampfung bei Umgebungsbedingungen mit der klassischen superkritischen Trocknung konkurrieren kann. Für eine Katalysatorentwicklung bedeutet dies eine verbesserte Wirtschaftlichkeit, sowie eine größere Skalierbarkeit im Trocknungsschritt, welcher ansonsten durch Autoklaventechnik begrenzt ist. Da die Möglichkeiten der Trocknung jedoch im Zusammenhang mit dem Material des Gels und der Stabilität dessen befinden, kann daraus kein universeller Schluss für andere Gelsysteme gezogen werden. Zum Einsatz als Katalysator bedarf es schließlich noch einiger Vorbehandlungsschritte, welche bezüglich reiner Indiumoxid-Aerogele und im Kontext der mit Platin und Palladium beladenen Indiumoxid-Aerogele detaillierter beleuchtet werden. Dabei wird hauptsächlich der Einfluss der Temperatur in Kombination mit oxidativer oder reduktiver Atmosphäre auf die Struktur und Oberfläche der Proben untersucht. Final wird der Einsatz der Aerogelkatalysatoren im Reaktor der Methanol-Dampfreformierung beleuchtet, welcher von Kooperationspartnern des Instituts „Materialien für innovative Energiekonzepte“ unter der Leitung von Prof. Marc Armbrüster der TU Chemnitz durchgeführt wurde. In der Temperaturbehandlung und Aktivierung und Katalyse der Aerogele durchlaufen diese Veränderungen der Netzwerkstruktur in Form von Stegbreitenvergrößerung begleitet von einer Reduktion der spezifischen Oberfläche. Die Nanoskaligkeit der betrachteten Aerogele bleibt dabei jedoch erhalten und es konnte gezeigt werden, dass die fragilen Aerogele Reaktorbedingungen standhalten können und nicht zum massiven Festkörper kollabieren. Das System InPt/In2O3 demonstriert die bisher jemals höchste gemessene Selektivität bei gleichzeitig hoher Aktivität des Katalysators in der Methanol-Dampfreformierung zum Stand dieser Arbeit. Ermöglicht wird dies durch die Verknüpfung der intrinsischen Material- mit den Aerogeleigenschaften. Das Zusammenspiel einer großen Oberfläche und der Nanoskaligkeit ermöglicht eine große Querschnittsfläche der intermetallischen Phase mit dem Oxid.:Inhaltsverzeichnis I Abkürzungen V Einleitung 1 1 Stand in der Literatur 3 1.1 Methanol-Dampfreformierung und Energiespeicherung 3 1.2 Metalle auf Trägeroxiden 4 1.3 Trocknung von nassen Gelen 7 1.4 Maschinelles Lernen und Experimentplanung 9 2 Experimentalteil 15 2.1 Epoxidmethode 15 2.1.1 Standardsynthese Indiumoxid-Aerogel 15 2.1.2 Synthese von reinen Indiumoxid-Aerogel Monolithen 15 2.1.3 Synthese von 10 m% Pt beladenen Indiumoxidgelen 15 2.1.4 Synthese von 10 m% Pd beladenen Indiumoxidgelen 16 2.2 Wässrige Synthese 16 2.2.1 Wässriges Indiumhydroxid Sol 16 2.3 Maschinelles Lernen 17 2.3.1 Optimierung nach Gelvolumen 17 2.4 Temperaturbehandlung 17 2.5 Trägermaterialien 18 2.5.1 Silica mit Makroporen durch Emulsionstemplat 18 2.5.2 Synthese von Polystyrolmikrosphären 18 2.5.3 Silica mit Makroporen durch Polystyroltemplat JK 019 18 2.5.4 Zinkoxid Sol 19 2.5.5 Pd/ZnO Aggregate 19 2.6 Trocknungsmethoden 19 2.6.1 Überkritische Trocknung aus reinem CO2 19 2.6.2 Überkritische Trocknung aus CO2- Ethanolgemisch 20 2.6.3 Gefriertrocknung 20 2.6.4 Trocknung unter Atmosphärendruck 20 2.6.5 Trocknung unter Atmosphärendruck mit NOVEC 7000 21 2.7 Aktivierung der Aerogelkatalysatoren und MSR Katalyse 21 3 Ergebnisse und Diskussion 22 3.1 Rückblick auf die eigene Masterarbeit 22 3.1.1 Synthesen über Epoxidmethode 22 3.1.2 Ansätze in der wässrigen Synthese 24 3.2 Fortsetzung der wässrigen Synthese 26 3.3 Wässrige Synthese und Experimentplanung über Maschinelles Lernen 29 3.3.1 Erste Erfahrung mit Experimentdesign durch Bayesianische Optimierung 29 3.3.2 Beobachtungen und Schlussfolgerungen aus der ersten Anwendung von EDBO 30 3.3.3 Optimierung nach Gelvolumen der Solvogele 31 3.4 Inerte Trägermaterialien 42 3.4.1 Silica Träger 42 3.4.2 Beladung der Trägermaterialien 48 3.5 Trocknungsmethoden 54 3.6 Temperaturverhalten der Oberfläche und Morphologie 65 3.6.1 Stegbreitenvergrößerung über die Temperatur 65 3.6.2 ATR-FT-IR Untersuchungen 70 3.6.3 Kristallinität der getemperten Proben 72 3.7 Ergebnisse in der Katalyse der Methanol-Dampfreformierung 74 3.7.1 Pd/In2O3 74 3.7.2 Pt/In2O3 79 3.7.3 Beladungsreihe Pt/In2O3 83 Zusammenfassung und Ausblick 86 4 Quellen 89 5 Geräte und Parameter 98 5.1 Rasterelektronenmikroskopie 98 5.2 Transmissionselektronenmikroskopie 98 5.3 Dynamische Lichtstreuung 98 5.4 Physisorption 98 5.5 Pulver-Röntgendiffraktometrie 99 5.6 Thermogravimetrie/Differenzthermoanalyse 99 5.7 ICP-OES 99 5.8 Quecksilber Porosimetrie 100 5.9 Aktivierung der Aerogelkatalysatoren und Katalyse 100 6 Chemikalien 102 Danksagungen 105 7 Anhang 107 7.1 IR Referenzspektren 107 7.1.1 Ammoniumnitrat 107 7.1.2 Indium (III) chlorid Monohydrat 110 7.1.3 Indiumnitrat hydrat 112 7.1.4 Urotropin 114 7.1.5 Natriumborhydrid 116 7.2 Code für Experimentplanung über Maschinelles Lernen 118 7.2.1 Erstellen der Umgebung und Import von benötigten Python Paketen 118 7.2.2 Erstellen des Parameterraums 118 7.2.3 Eintragen der Ergebnisse nach jedem Batch 121 7.2.4 SHAPLEY Werte 125 7.2.5 Basen und Stabilisator Interaktionen 125 7.2.6 Basen und Salz Interaktionen 127 7.2.7 Einfluss von Stabilisatorgewicht und Stabilisatorart 127 7.2.8 Ohne Stabilisator, mit anderen Parameter Einflüssen 128 7.2.9 Zitronensäure und andere Parameterinteraktionen 129 7.2.10 Trinatriumcitrat und andere Parameterinteraktionen 131 7.3 EDBO Experiment Batches 133 Versicherung 143

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Poröse Materialien sind von großer Bedeutung in verschiedenen Anwendungsbereichen und sind weit verbreitet sowohl in natürlicher oder technischer Herkunft. Ihre Eigenschaften werden in hohem Maße von der Struktur des Porenraumes bestimmt, die durch quantitative Parameter wie Porosität oder Porengrößenverteilung beschrieben werden kann. Für die Untersuchung poröser Materialien stehen verschiedene indirekte Porosimetrieverfahren zur Verfügung, die jedoch bei sehr großen Poren in der Größenordnung oberhalb von 10 um nur eingeschränkt anwendbar sind. Aus diesem Grund war das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines Verfahrens zur direkten Charakterisierung großporiger Werkstoffe. Dabei sollte die NMR- Mikroskopie zur dreidimensionalen Abbildung des Porensystems verwendet werden und mit einer anschließenden Bildverarbeitung quantitative Parameter wie die Porengrößenverteilung ermittelt werden. Für die experimentellen Untersuchungen wurden zwei unterschiedliche Filtermaterialien ausgewählt, die Porengrößen oberhalb von 10 µm aufwiesen. Für die NMR-mikroskopische Abbildung des Porenraumes wurden die Materialien mit unterschiedlichen Intrusionsflüssigkeiten gefüllt, wobei dest. Wasser, Octamethylcyclotetrasiloxan und Dimethylsulfoxid verwendet wurden. Die NMR-mikroskopische Abbildung des Porenraumes erfolgte anhand der Protonen der verwendeten Intrusionsflüssigkeit, wobei eine 3D-Spinechopulssequenz verwendet wurde. Die maximal erreichte räumliche Auflösung lag bei einer Größe der isotropen Voxel von ca. 12 um. Weiterhin wurde von ausgewählten Proben dreidimensionale Aufnahmen mit der Röntgencomputertomographie angefertigt, sowie für einige Proben Messungen mit der Quecksilberporosimetriemessungen durchgeführt. Für die Auswertung der NMR-Mikroskopieaufnahmen wurde auf der Basis der kommerziellen Softwarebibliothek HORUS ein eigenes Bildverarbeitungsprogramm entwickelt. Dieses Programm analysiert schichtweise den 3D-Bilddatenstatz und ermittelt daraus Porengrößenverteilungen und Porenkanäle senkrecht zur Bildebene. Die Ergebnisse der Bildverarbeitung der NMR-Mikroskopieaufnahmen zeigen für die Glasfilterproben gute Übereinstimmungen mit den Herstellerangaben zu den Materialien. Die für die unterschiedlichen Glasfiltersorten ermittelten Porengrößenverteilungen widerspiegeln sowohl in ihren absoluten Werten als auch im Verhältnis zueinander gut die nominellen Porenweiten der ausgewählten Materialien. Die mit der Quecksilberintrusion ermittelten Porengrößenverteilungen zeigen eine Beziehung zu den durch die Bildverarbeitung ermittelten minimalen Weiten der Porenkanäle. Für die untersuchten Polyethylensintermaterialien wurden Porengrößenverteilungen ermittelt, die von den Herstellerangaben abweichen. Untersuchungen mit Quecksilberintrusionsmessungen und Elektronenmikroskopieaufnahmen ergaben ähnliche Resultate und stützten dadurch die NMR-mikroskopisch ermittelten Ergebnisse. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, daß sich die NMR-Mikroskopie in Verbindung mit der digitalen Bildverarbeitung gut für die quantitative Charakterisierung großporiger nichtmetallischer Systeme eignet. Es wurden entsprechende Bildverarbeitungsroutinen entwickelt und die experimentellen Bedingungen hinsichtlich der Steigerung der räumlichen Auflösung optimiert. / Porous materials are of great importance for many application and are widespread as well in their natural as in their technical occurence. Their properties are determined to a high degree by the structure of the pore space, which can be described quantitativly with parameters like porosity or pore size distribution. There are a number of indirect porosimetry methods for porous materials, however most of them are less suitable for large pores in the range above 10 microns. For this reason it was the purpose of the undertaken investigations to develop a method for the direct characterization of materials with large pores. The intention was to use the nmr microscopy for the three-dimensional imaging of the pore system and to determine quantitative parameters like the pore size distribution with a suitable image processing algorithm. For the experimental investigations two different filter materials were selected, which had pore widths larger than 10 microns. For the nmr microscopy imaging of the pore space the materials were filled with different intrusion fluids using distilled water, octamethylcyclotetrasiloxane, and dimethylsulfoxide. For the nmr microscopy imaging of the pore space the protons of the intrusion fluid were selected, using a three-dimensional spin echo sequence. The highest spatial resolution in the nmr microscopy experiments was at a size of approximately 12 microns for an isotropic voxel. Furthermore for a selected range of glass filter samples three-dimensional images were acquired with X-ray tomography and a number of samples were investigated with mercury porosimetry. For the analysis of the nmr microscopy data an image processing algorithm was programmed basing on the commercial imaging software library HORUS. This program sequentially analyses the slices of the 3D imaging dataset and calculates pore size distributions and extracts pore channels perpendicular to the slice plane. The results of the image processing of the nmr microscopy data show a good agreement with the manufactures specification for the glass filter, regarding the absolute values for the calculated pore size distributions and the relative values for different glass filter materials. The pore size distributions which were determined with mercury porosimetry show a good agreement with the minimal pore channel widths as they were determined from the image processing of the nmr microscopy data. The calculated pore size distributions of the investigated polyethylene sinter materials differed from the manufacturers specification. Investigations with mercury intrusion experiments and electron microscopy images gave similar results thus supporting the results from the nmr microscopy experiments. Within the scope of this work it could be demonstrated, that nmr microscopy in connection with a digital image analysis is very suitable for the quantitative characterization of non-metallic systems with large pores. The necessary image processing algorithms have been developed and the experimental parameters have been optimised in order to maximise the spatial resolution of the nmr microscopy images.

Pulse tube cryocoolers (PTC) are a class of rugged and high-endurance refrigeration systems that operate without moving parts at their low temperature ends, and are capable of reaching temperatures down to and below 123 K. PTCs are particularly suitable for applications in space, guiding systems, cryosurgery, medicine preservation, superconducting electronics, magnetic resonance imaging, weather observation, and liquefaction of gases. Applications of these cryocoolers span across many industries including defense, aerospace, biomedical, energy, and high tech. Among the challenges facing the PTC research community is the improvement of system efficiency, which is a direct function of the regenerator component performance. A PTC implements the theory of oscillatory compression and expansion of the gas within a closed volume to achieve desired refrigeration. An important deficiency with respect to the state of art models dealing with PTCs is the limited understanding of the hydrodynamic and thermal transport parameters associated with periodic flow of a cryogenic fluid in micro-porous structures. In view of the above, the goals of this investigation include: 1) experimentally measuring and correlating the steady and periodic flow Darcy permeability and Forchheimer’s inertial hydrodynamic parameters for available rare-Earth ErPr regenerator filler; 2) employing a CFD-assisted methodology for the unambiguous quantification of the Darcy permeability and Forchheimer’s inertial hydrodynamic parameters, based on experimentally measured steady and periodic flow pressure drops in porous structures representing recently developed regenerator fillers; and 3) performing a direct numerical pore-level investigation for steady and periodic flows in a generic porous medium in order to elucidate the flow and transport processes, and quantify the solid-fluid hydrodynamic and heat transfer parameters. These hydrodynamic resistances parameters were found to be significantly different for steady and oscillatory flows.

Résumé : Tout comme l’aéronautique, l’industrie aérospatiale s’est tournée progressivement vers l’emploi des coques à base des matériaux composites. Cette transition a permis d’alléger considérablement les structures aéronautiques et aérospatiales, et par conséquent, a réduit la consommation de carburants ainsi que l’impact écologique des aéronefs et des lanceurs. Toutefois, la loi de masse stipule que cela ne peut être sans conséquence sur la perte par transmission acoustique des panneaux, surtout sur les basses fréquences. Que ce soit pour la conformité aux exigences des normes aéronautiques en terme de niveau de pression acoustique à l’intérieur des cabines ou la protection des charges utiles dans les coiffes des lanceurs, les traitements acoustiques ciblant les basses fréquences s’avèrent un défi d’envergure. En effet, avec des contraintes très strictes de minimum de masse et de volume ajoutés, il est difficile de traiter les problèmes d’absorption acoustique basses-fréquences, avec les traitements phoniques classiques. Afin de tirer avantage des effets résonants pour améliorer l’absorption sur les basses fréquences, ce projet se propose d’étudier l’intégration d’écrans résistifs à très faibles épaisseurs dans les revêtements acoustiques, tout en minimisant le poids. Il a été proposé dans le cadre de la chaire industrielle de recherche en aéroacoustique dont les principaux bailleurs de fonds sont Bombardier aerospace, Pratt & whitney et Bell helicopter. Aussi, des travaux de recherche connexes se sont déroulés en partenariat avec ULA (United Launch Alliance). Ce travail de maîtrise comporte une partie bibliographique qui présente une étude exhaustive des traitements basses-fréquences existants, tout en y portant un regard critique. La partie théorique met particulièrement l’emphase sur les différents modèles de propagation d’onde et les phénomènes de dissipations dans les milieux poreux. Dans cette partie, on dénombre également les différents types d’écrans ainsi que les modèles de propagation correspondants. Des critères permettant une étude comparative objective du point de vue masse/performance ont été proposés. En plus des paramètres non acoustiques, les conditions de montage et d’agencement des couches ont été étudiées avec des simulations numériques appuyées par des mesures expérimentales. Dans l’avant dernier chapitre, un modèle SEA (Statical Energy Analysis) d’une coiffe de lanceur a été construit avec tous ses détails à partir d’un exemple concret. Les simulations se sont terminées avec une étude comparative de la réduction de niveau de pression acoustique dans la coiffe. Le dernier chapitre résume les principaux résultats et conclusions de cette étude. / Abstract : Over the last few decades, the aerospace industry has witnessed a significant emergence of the use of composite shells. The latter are continuously replacing the metallic ones. This transition allowed a significant weight reduction of flying structures. Consequently, it substantially lessened the fuel consumption and mitigated the environmental footprint of aircrafts and space launch vehicles. However, evoking the mass law, this transition clearly cannot be without consequences on the acoustic transmission loss of fuselage panels. Neither can it be on payload fairings, especially over the low frequencies. Whether to meet with the standards and regulations in terms of acoustic pressure levels inside the pressurized cabins or to protect the payloads inside the launchers fairings, acoustic treatments design targeting the low frequencies seems to be a challenging issue. Indeed, with very stringent constraints in terms of added weight and volume, it is difficult to deal with the low frequencies noise and vibration, using passive monolayers. In order to take advantage of the resonant effects in enhancing low frequencies absorption, this work intends to investigate the integration of heavy treatments of very low thicknesses in acoustic coatings while minimizing weight. It was conducted within the frame work of the industrial research chair in aeroacoustics, whose main funders are : Bombardier Aerospace, Pratt & Whitney and Bell Helicopter. Also, other related researches were jointly carried out in partnership with ULA (United Launch Alliance). This master thesis includes a bibliographical section which consists of an overview of the existing low-frequencies solutions while keeping a critical eye on most of them. The following theoretical part focuses on the different models describing wave s’ propagation and dissipation phenomena in porous media. In the same section, we also list the different types of screens and the corresponding propagation models. Criteria for an objective comparative study in terms of weight versus performance were suggested. In addition to non-acoustic parameters, the layout and the mounting conditions of the acoustic packages were also investigated by means of numerical simulations, seconded by experimental measurements. In the penultimate chapter, an SEA detailed model of a launcher fairing was built based on data taken from a concrete example. The simulations ended with a comparative study of the sound pressure level reduction in the inner fairing cavity. The final chapter summarizes the main findings, conclusions and perspectives of this study.

Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: Flow and reactive transport of chemical species is a very common phenomenon that occurs in natural and artificial systems. However in this study, the topic is related to acid mine drainage in the South African mining environment. Due to the hazards associated with acid mine drainage, prevention or treatment of mine effluent water before discharging to receiving waters and other environments is a necessity. A new time-dependent mathematical model is developed for a passive treatment method, based on multi-scale modelling of the coupled physico-chemical processes such as diffusion, convection, reactions and filtration, that are involved in the treatment process. The time-dependent model is simulated on a two-dimensional domain using finite volume discretization to obtain chemical species distributions. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Vloei en reagerende transport van chemiese spesies is ’n baie algemene verskynsel wat in natuurlike en kunsmatige stelsels plaasvind. In hierdie studie is die onderwerp egter verwant aan suurmyndreinering in die Suid-Afrikaanse mynbou-omgewing. As gevolg van die gevare wat verband hou met suurmyndreinering, is die voorkoming of die behandeling van die afval-mynwater voor dit in opvangswaters en ander omgewings beland ’n noodsaaklikheid. ’n Nuwe tydafhanklike wiskundige model vir ’n passiewe behandelingsmetode is ontwikkel. Dit is gebaseer op die multi-skaal modulering van gekoppelde fisies-chemiese prosesse soos diffusie, konveksie, reaksies en filtrasie, wat by die behandelingsproses betrokke is. Die tydafhanklike model word gesimuleer op ’n twee-dimensionele domein met behulp van eindige volume diskretisasie om die verspreiding van chemiese spesies te bepaal.

The germylenes, germanium(II) 2-(oxidomethyl)phenolate (1), germanium(II) 4-methyl-2-(oxidomethyl)phenolate (2) and germanium(II) 4-bromo-2-(oxidomethyl)phenolate (3) were synthesized and their thermally induced twin polymerization to give organic–inorganic hybrid materials was studied. The compounds 1–3 form oligomers including dimers, trimers and tetramers as a result of intermolecular coordination of the benzylic oxygen atom to germanium. The structural motifs were studied by single crystal X-ray diffraction analysis and DFT-D calculations. Thermally induced twin polymerization of these germylenes gave hybrid materials based on germanium-containing phenolic resins. Carbonization of these resins under reductive conditions resulted in porous materials that are composed of germanium and carbon (Ge@C materials), while oxidation with air provided non-porous germanium dioxide. The porous Ge@C materials were tested as potential anode materials for rechargeable Li-ion batteries. Reversible capacities of 540 mA h g−1 were obtained at a current density of 346 mA g−1 without apparent fading for 100 cycles, which demonstrates that germanium is well accessible in the hybrid material. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Three-dimensional porous single crystals (PSCs) are a recent development in the growing world of mesoporous material. The mesoporosity allows for the material to retain their nanoproperties whilst being bulk in size. The current work concentrates on chromium oxide and cobalt oxide PSCs formed in the templates SBA-15 and KIT-6. HRTEM is the main technique used in this investigation, looking at the morphology and single crystallinity of these materials. A growth mechanism for the PSC material is proposed based on HRTEM observations. XRD studies revealed that the confinement effect, caused by the mesopores, reduces the temperature for both cobalt and chromium oxide crystallisation, as well as a different intermediate route from the metal nitrates. The properties of chromium oxide PSC are also investigated magnetically and catalytically. Some metal oxides in different templates are also presented, despite no PSC forming. HRTEM work on other nanomaterials, based on collaboration, is also presented.