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Nitrogen-containing Carbonaceous Materials for Electrochemical Oxygen Reduction ReactionWu, Bin 03 January 2024 (has links)
Der steigende weltweite Energiebedarf treibt die Entwicklung sauberer Energiequellen voran, die dazu beitragen werden, den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu reduzieren. Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien sind vielversprechende Alternativen, um traditionelle fossile Energie zu ersetzen und durch die Reduzierung von O2 an der Kathode grünen Strom zu erzeugen. Aufgrund der langsamen Reaktionsraten der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) ist hierfür jedoch elektrokatalytisches Material mit geringen Kosten und hoher Effizienz erforderlich. In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl von Materialien als Nicht-Pt-Katalysatoren getestet, von metallfreien Katalysatoren bis hin zu Katalysatoren auf Übergangsmetallbasis. Aufgrund des mangelnden Verständnisses des Reaktionsmechanismus und der Wechselwirkung zwischen Elektrolyt und Elektrokatalysator befinden sich neue Designs stickstoffhaltiger Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis jedoch noch in der Entwicklungsphase. Zu diesem Zweck wurden verschiedene (in situ) spektroskopische und elektrochemische Techniken eingesetzt, um die Wechselwirkung zwischen N-dotiertem Kohlenstoff und Elektrolyten sowie die katalytischen Mechanismen zu verstehen. Darüber hinaus weisen die neu entwickelten Katalysatoren für die ORR eine überlegene elektrokatalytische Leistung auf, die in dieser Dissertation ausführlich diskutiert wird. Die Struktur-Leistungs-Beziehung unserer ORR-N-dotierten Kohlenstoffkatalysatoren wurde gründlich untersucht. Diese Forschung zeigt, wie die Kombination fortschrittlicher Spektroskopietechniken, einschließlich In-situ-Spektroskopie und elektrochemischer Charakterisierung, ein tieferes Verständnis der Katalysator-/Elektrolyt-Wechselwirkung, des katalytischen Mechanismus und der optimierten elektrokatalytischen Leistung stickstoffhaltiger Kohlenstoffmaterialien, ORR-Katalysatoren, insbesondere nanoporöser N-dotierter Kohlenstoff, fördern kann Eisen-Stickstoff-codotierte Kohlenstoffmaterialien. / Increasing global energy demand drives the development of clean energy sources that will help reduce the consumption of fossil fuels. Fuel cells and metal-air batteries are promising alternatives to replace traditional fossil energy to generate green electricity by reducing O2 at the cathode. However, due to sluggish reaction rates of oxygen reduction reaction (ORR), this requires electrocatalytic material with low cost and high efficiency. Over the last few decades, a variety of materials have been tested as non-Pt catalysts, from metal-free catalysts to transition metal-based catalysts. However, due to the lack of understanding of the reaction mechanism and the interaction between electrolyte and electrocatalysts, new designs nitrogen-containing carbon-based catalysts are still under the development stage. To this aim, a variety of (in situ) spectroscopic and electrochemical techniques to understand N-doped carbon electrocatalysts/electrolyte interaction and catalytic mechanisms have been employed. Moreover, the newly-designed catalysts for ORR demonstrate superior electrocatalytic performance which are discussed in detail in this dissertation. The structure-performance relationship for our ORR N-doped carbon catalysts has been thoroughly investigated. This research highlights how the combination of advanced spectroscopy techniques including in situ spectroscopy and electrochemical characterization may promote a deeper understanding of catalyst/electrolyte interaction, catalytic mechanism and optimized electrocatalytic performance of nitrogen-containing carbon materials ORR catalysts, especially nanoporous N-doped carbon and iron-nitrogen-co-doped carbon materials.
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Boosting Electrochemical Carbon Dioxide Reduction on Atomically Dispersed Nickel CatalystHao, Qi, Liu, Dong-Xue, Deng, Ruiping, Zhong, Hai-Xia 16 May 2024 (has links)
Single-atom catalysts (SACs) with metal–nitrogen (M–N) sites are one of the most promising electrocatalysts for electrochemical carbon dioxide reduction (ECO₂R). However, challenges in simultaneously enhancing the activity and selectivity greatly limit the efficiency of ECO₂R due to the improper interaction of reactants/intermediates on these catalytic sites. Herein, we report a carbon-based nickel (Ni) cluster catalyst containing both single-atom and cluster sites (NiNx-T, T = 500–800) through a ligandmediated method and realize a highly active and selective electrocatalytic CO₂R process. The catalytic performance can be regulated by the dispersion of Ni–N species via controlling the pyrolysis condition. Benefitting from the synergistic effect of pyrrolicnitrogen coordinated Ni single-atom and cluster sites, NiNx-600 exhibits a satisfying catalytic performance, including a high partial current density of 61.85 mA cm⁻² and a high turnover frequency (TOF) of 7,291 h⁻¹ at −1.2 V vs. RHE, and almost 100% selectivity toward carbon monoxide (CO) production, as well as good stability under 10 h of continuous electrolysis. This work discloses the significant role of regulating the coordination environment of the transition metal sites and the synergistic effect between the isolated single-site and cluster site in enhancing the ECO₂R performance.
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Oxidation von Methan und Formaldehyd an eisenbasierten Katalysatoren in sauerstoffreichen AbgasenMehne, Marcel 08 August 2024 (has links)
Die vorliegende Dissertationsschrift umfasst systematische Untersuchungen zur Oxidation von Methan und Formaldehyd an Eisenoxid-Vollkatalysatoren im sauerstoffreichen Abgas von Gasmotoren. Als Brennstoff kann sowohl biogenes als auch fossiles Methan eingesetzt werden, wobei mit Biogas betriebene Motoren im Fokus dieser Arbeit stehen. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass α-FeOOH-stämmige Katalysatoren eine hohe Oxidationsaktivität aufweisen. Unter abgastypischen Bedingungen startet die Umsetzung von Formaldehyd bei 150 °C und verläuft oberhalb von 300 °C vollständig. Der Methanumsatz beträgt bei 550 °C bis zu 30 %. Weiterhin liefern Struktur-Aktivitäts-Korrelationen sowie mechanistische Studien ein molekulares Verständnis für die Umsetzung der beiden Schadstoffe und bestimmende Eigenschaften der Eisenoxid-Katalysatoren.
Zum einen wird deutlich, dass bei einer großen BET-Oberfläche (> 20 m2∙g-1) und Anzahl azider Adsorptionszentren sowie geringer Kristallitgröße (< 50 nm) eine hohe Methanoxidationsaktivität erhalten wird. Dabei liegen die Katalysatoren unter den abgastypischen Bedingungen in der α-Fe2O3-Modifikation vor. Des Weiteren ist eine hohe Redoxaktivität bzw. Sauerstoffmobilität von signifikanter Bedeutung. Die Methanumsetzung findet durch sequenzielle Abstraktion der Wasserstoffatome statt und wird demnach maßgeblich durch Wasserstofftransferprozesse und die Verfügbarkeit von aktiven Sauerstoffspezies auf der Katalysatoroberfläche beeinflusst. Die kinetische Modellierung der Methanoxidation legt die Umsetzung nach einem Langmuir-Hinshelwood-basierten Mechanismus nahe. Hierbei wird eine Aktivierungsenergie von 131 kJ∙mol-1 erhalten.
Für eine hohe katalytische Aktivität bei der Formaldehydkonversion sind eine große
BET-Oberfläche (> 20 m2∙g-1) und eine hohe Verfügbarkeit von Hydroxidgruppen essentiell. Die Oxidation verläuft bei tiefen Temperaturen (< 300 °C) vorwiegend nach einem Cannizzaro-Mechanismus, wobei als wesentliche Zwischenprodukte Methoxy- und Formiat-Spezies entstehen. Erstere sind die Ursache für die Methanolbildung im Anspringbereich der Umsetzung. Als katalytisch aktive Spezies können oberflächliche Hydroxidgruppen identifiziert werden, die an der Oberfläche der Fe2O3-Katalysatoren vorhanden sind und den Ablauf der Cannizzaro-Reaktion ermöglichen.
Darüber hinaus wird im Rahmen der Aufskalierung des aktivsten Fe2O3-Katalysators das Potential für die Schadstoffminderung sowohl im Labormaßstab als auch an einem Gasmotor aufgezeigt. Hierbei wird Formaldehyd am frischen Katalysator vollständig zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt, während die Oxidation des Methans aufgrund zu tiefer Temperaturen des Abgases nicht stattfindet.
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Investigation of multicomponent catalyst systems for type-selective growth of SWCNTs by CVDMotaragheb Jafarpour, Saeed 25 February 2020 (has links)
Excellent electronic properties of semiconducting single-walled carbon nanotubes (sc-SWCNTs) motivated the investigation for using them in different application areas such as microelectronics, sensorics, MEMS and MOEMS. However, challenges arise from the lack of selectivity with respect to electronic type and chirality as well as ensuring high quality, high purity and well-aligned SWCNTs during fabrication process. Catalytic chemical vapour deposition (CCVD) has shown great potential in direct synthesis of high quality SWCNTs with chiral or type selectivity.
This thesis addresses three important aspects for growth of sc-SWCNT covering method development for fast screening for complex catalyst systems, process development for type-selective growth of SWCNTs and transfer of processes to a specific CVD reactor capable to scale the processes up to 8-inches wafer embedded in the microtechnologic process line. Multi-wavelengths Raman spectroscopy is applied to analyze type and chiral compositions of SWCNTs. In addition, different microscopic techniques of SEM, TEM and AFM are utilized to analyze surface morphology of catalyst layers and size of the nanoparticles as well as structure-related properties of SWCNTs. Initially, systematic studies on monometallic Co and bimetallic Co-Mo systems with different bilayer thickness configurations and their influences on the properties of grown SWCNTs are conducted on chip level. It is shown by adjusting the catalyst deposition conditions of bilayer catalyst as well as optimization of gas environments in CCVD process, structure-related properties of SWCNTs are dramatically enhanced. Furthermore, by utilizing shutter-assisted sputter deposition of gradient layer catalyst, a fast and efficient method for screening different bilayer configurations of Co-Mo, Co-Ru and Ni-Ru has been developed. By utilizing gradient layer deposition with finely resolved catalyst thicknesses, random network SWCNT is grown on bimetallic Co-Mo system under certain process condition with 45% (at 633 nm) and 75% (at 785 nm) semiconducting enrichment of long and high quality SWCNT. In contrast, bimetallic Co-Ru system under certain process condition is developed to grow in-plane SWCNT with 85% (at 633 nm) and 75% (at 785 nm) semiconducting enrichment of short and low quality SWCNT. In addition, different configurations of the bimetallic Co-Ru system are prepared from salt precursors by spin-coating technique. For a mixture of cobalt (II) chloride and ruthenium (III) nitrosylacetate, random network SWCNT with 70% (at 633 nm) and 95% (at 785 nm) semiconducting enrichment of long SWCNTs with high quality is obtained on wafer level. Random network SWCNT with high degree of semiconducting enrichment is used as channel material for thin-film transistors fabrication that results in CNTFET with on/off ratio in the order of 10*3:Bibliographic description 3
Vorwort 9
List of abbreviations and symbols 11
1 Introduction 15
2 Fundamentals of carbon nanotubes 21
2.1 Chemical bonds in carbon structures 21
2.2 Different allotropes of carbon 22
2.3 History of carbon nanotubes research 23
2.4 Structure of carbon nanotubes 24
2.5 Electronic properties of carbon nanotubes 26
2.6 Synthesis of carbon nanotubes 27
2.7 Growth mechanism of carbon nanotubes by CCVD 29
2.8 Catalyst for CCVD synthesis of SWCNTs 31
2.8.1 Catalyst nanoparticle formation from thin film 32
2.8.2 Mechanism of solid state dewetting 33
2.9 CCVD synthesis of SWCNT 35
2.10 Selective synthesis of SWCNT 37
3 Experimental 39
3.1 Preparation of different catalyst/support systems 39
3.1.1 Homogenous layer of catalyst prepared by PVD 39
3.1.2 Gradient layer deposition of catalyst by IBSD 41
3.1.3 Homogenous layer of catalyst prepared by spin coating 45
3.2 CVD reactors for synthesis of SWCNT 46
3.2.1 R&D vertical flow CVD reactor with showerhead 46
3.2.2 Industrial vertical flow CVD reactor with showerhead 47
3.2.3 Horizontal flow tube CVD reactor 49
3.3 Methods for characterization 50
3.3.1 Atomic force microscopy 50
3.3.2 Raman spectroscopy 50
3.3.3 Spectroscopic ellipsometry 56
3.3.4 X-ray reflection 56
3.3.5 Scanning electron microscopy 56
3.3.6 Transmission electron microscopy 56
4 Growth of SWCNT using PVD catalyst layer in vertical CVD reactor A 57
4.1 Monometallic Co catalyst supported on SiO2 57
4.1.1 Surface and morphological analysis of SiO2/Co 57
4.1.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on SiO2/Co 59
4.1.3 Chirality and diameter analysis of SWCNTs on SiO2/Co 61
4.2 Monometallic Co catalyst supported on Al2O3 62
4.2.1 Surface and morphological analysis of Al2O3/Co 62
4.2.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on Al2O3/Co 63
4.2.3 Chirality and diameter analysis of SWCNTs on Al2O3/Co 67
4.3 Bimetallic Co-Mo catalyst supported on Al2O3 68
4.3.1 Surface and Morphological analysis of Al2O3/Co-Mo 68
4.3.2 Effect of IBSD deposition parameters on NP formation 71
4.3.3 Analysis of CCVD grown SWCNT on Al2O3/Co-Mo 72
4.3.4 Chirality and diameter analysis of SWCNTs on Al2O3/Co-Mo 76
4.4 Comparison of SWCNT from different catalyst configurations 77
5 Growth of SWCNT using gradient layer of catalyst 79
5.1 Analysis of grown SWCNT on Co-Mo using step gradient A 79
5.2 Analysis of grown SWCNT on Co-Mo using step gradient B 80
5.2.1 Growth of SWCNT by utilizing shutter at position I 80
5.2.2 Growth of SWCNT by utilizing shutter at position II 82
5.2.3 Effect of vacuum breaking on CCVD growth of SWCNT 83
6 Growth of SWCNT using gradient layer catalyst in vertical CVD reactor B 87
6.1 SWCNT growth on gradient layer of monometallic catalyst 87
6.1.1 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Co 87
6.1.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Ni 89
6.1.3 Comparison of SWCNT properties for monometallic of Ni and Co 90
6.2 SWCNT growth on gradient layer of bimetallic catalyst 92
6.2.1 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Co-Mo 92
6.2.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Co-Ru 95
6.2.3 Comparison of SWCNTs on Co-Mo and Co-Ru catalyst systems 98
6.2.4 Analysis of CCVD grown SWCNTs on gradient layer of Ni-Ru 100
7 Growth of SWCNT using spin-coated catalyst precursor in horizontal CVD reactor 103
7.1 Effect of CCVD growth temperature on SWCNT properties 103
7.2 Effect of catalyst calcination temperature on SWCNT properties 103
7.3 Analysis of CCVD grown SWCNT on Co and Co-Ru 105
7.3.1 Monolayer configuration of different Co precursors 105
7.3.2 Bilayer configuration of Co and Ru precursors 106
7.3.3 Trilayer configuration of Co and Ru precursors 107
7.3.4 Monolayer configuration of Mixture Co and Ru precursors 109
7.3.5 Comparison of SWCNTs on different catalyst configurations 110
8 Growth of SWCNT using spin-coated catalyst precursor in vertical CVD reactor B 113
8.1 Growth of SWCNT on Mixture of Co and Ru precursors 113
8.2 Effect of CVD reactor geometry on SWCNT properties 115
8.3 Effect of catalyst preparation technique on SWCNT properties 116
8.4 Wafer-level growth of SWCNT on bimetallic Co-Ru 117
9 SWCNT-based device fabrication 119
9.1 Different approaches for SWCNT-based device fabrication 119
9.2 Growth-based technique for SWCNT-based device fabrication 121
9.2.1 FET fabrication on in-plane random network SWCNT 121
9.2.2 FET fabrication on out-of-plane random network SWCNT 123
10 Summary and outlook 127
Appendix 131
Bibliography 171
List of tables 183
List of figures 185
Versicherung 197
Theses 199
Curriculum vitae 201
List of publications 203 / Die hervorragenden elektronischen Eigenschaften von halbleitenden, einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (sc-SWCNTs haben die Untersuchung dazu veranlasst, sie in verschiedenen Anwendungsbereichen wie der Mikroelektronik, Sensorik, MEMS und MOEMS einzusetzen. Herausforderungen ergeben sich jedoch aus dem Mangel an Selektivität bezüglich elektronischer Bauart und Chiralität sowie der Sicherstellung hoher Qualität, hoher Reinheit und gut aufeinander abgestimmter SWCNTs während des Herstellungsprozesses. Die Katalytische chemische Gasphasenabscheidung (CCVD) zeigt ein großes Potenzial bei der direkten Synthese von hochqualitativen SWCNTs mit Chiraler- oder Typenselektivität.
Diese Dissertation behandelt drei wichtige Aspekte für das Wachstum von sc-SWCNT und deckt die Methodenentwicklung des schnellen Screenings für komplexe Katalysatorsysteme, die Prozessentwicklung für das typselektive Wachstum von SWCNTs und die Übertragung von Prozessen in einen spezifischen CVD-Reaktor ab. Der Reaktor, welcher eingebettet in die mikrotechnologische Prozesslinie ist, kann Wafer bis zu 8- Zoll verarbeiten. Raman-Spektroskopie mit mehreren Wellenlängen wird verwendet, um die Zusammensetzung von SWCNTs zu analysieren. Darüber hinaus werden verschiedene mikroskopische Techniken von REM, TEM und AFM verwendet, um die Oberflächenmorphologie von Katalysatorschichten und die Größe der Nanopartikel sowie die strukturbezogenen Eigenschaften von SWCNTs zu analysieren. Zunächst werden systematische Untersuchungen an monometallischen Co- und Bimetall-Co-Mo-Systemen mit unterschiedlichen Doppelschichtdickenkonfigurationen durchgeführt und deren Einfluss auf die Eigenschaften gewachsener SWCNTs auf Chipebene untersucht. Es wird gezeigt, dass durch Einstellung der Katalysatorabscheidungsbedingungen des Doppelschichtkatalysators sowie durch Optimierung der Gasumgebung im CCVD-Prozess die strukturbezogenen Eigenschaften von SWCNTs drastisch verbessert werden können. Darüber hinaus wurde durch die Verwendung eines Gradientenschichtkatalysators, welcher mittels einer Shutter-unterstützten Zerstäubungsabscheidung hergestellt wurde, ein schnelles und effizientes Verfahren zum Untersuchen verschiedener Doppelschichtkonfigurationen von Co-Mo, Co-Ru und Ni-Ru entwickelt. Unter Verwendung der Abscheidung einer Gradientenschicht mit einer fein aufgelösten Katalysatordicke wurden ungerichtete SWCNTs auf einem bimetallischen Co-Mo-System unter definierten Prozessbedingungen mit 45% (bei 633 nm) und 75% (bei 785 nm) halbleitender Anreicherung von langem und hochwertigem SWCNT gezüchtet. Im Gegensatz dazu wird das bimetallische Co-Ru-System unter definierten Prozessbedingungen entwickelt, um SWCNT in der Ebene mit 85% (bei 633 nm) und 75% (bei 785 nm) halbleitender Anreicherung von kurzer und geringer Qualität von SWCNT zu wachsen. Außerdem werden verschiedene Konfigurationen des Bimetall-Co-Ru-Systems aus Salzvorläufern durch Spin-Coating-Technik hergestellt. Es zeigt sich für die Bimetallkonfiguration, die durch Mischung von Cobalt (II) -chlorid und Ruthenium (III) -nitrosylacetat, ein zufälliges Netzwerk SWCNT zu 70% (bei 633 nm) und 95% (bei 785 nm) halbleitender Anreicherung langer SWCNTs mit hohem Anteil hergestellt wurde Qualität wird auf Waferebene gewachsen. Ein zufälliges Netzwerk-SWCNT mit einem hohen Grad an halbleitender Anreicherung wird als Kanalmaterial für die Herstellung von Dünnschichttransistoren verwendet, was zu einem CNTFET mit einem Ein / Aus-Verhältnis um 10*3 führte.:Bibliographic description 3
Vorwort 9
List of abbreviations and symbols 11
1 Introduction 15
2 Fundamentals of carbon nanotubes 21
2.1 Chemical bonds in carbon structures 21
2.2 Different allotropes of carbon 22
2.3 History of carbon nanotubes research 23
2.4 Structure of carbon nanotubes 24
2.5 Electronic properties of carbon nanotubes 26
2.6 Synthesis of carbon nanotubes 27
2.7 Growth mechanism of carbon nanotubes by CCVD 29
2.8 Catalyst for CCVD synthesis of SWCNTs 31
2.8.1 Catalyst nanoparticle formation from thin film 32
2.8.2 Mechanism of solid state dewetting 33
2.9 CCVD synthesis of SWCNT 35
2.10 Selective synthesis of SWCNT 37
3 Experimental 39
3.1 Preparation of different catalyst/support systems 39
3.1.1 Homogenous layer of catalyst prepared by PVD 39
3.1.2 Gradient layer deposition of catalyst by IBSD 41
3.1.3 Homogenous layer of catalyst prepared by spin coating 45
3.2 CVD reactors for synthesis of SWCNT 46
3.2.1 R&D vertical flow CVD reactor with showerhead 46
3.2.2 Industrial vertical flow CVD reactor with showerhead 47
3.2.3 Horizontal flow tube CVD reactor 49
3.3 Methods for characterization 50
3.3.1 Atomic force microscopy 50
3.3.2 Raman spectroscopy 50
3.3.3 Spectroscopic ellipsometry 56
3.3.4 X-ray reflection 56
3.3.5 Scanning electron microscopy 56
3.3.6 Transmission electron microscopy 56
4 Growth of SWCNT using PVD catalyst layer in vertical CVD reactor A 57
4.1 Monometallic Co catalyst supported on SiO2 57
4.1.1 Surface and morphological analysis of SiO2/Co 57
4.1.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on SiO2/Co 59
4.1.3 Chirality and diameter analysis of SWCNTs on SiO2/Co 61
4.2 Monometallic Co catalyst supported on Al2O3 62
4.2.1 Surface and morphological analysis of Al2O3/Co 62
4.2.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on Al2O3/Co 63
4.2.3 Chirality and diameter analysis of SWCNTs on Al2O3/Co 67
4.3 Bimetallic Co-Mo catalyst supported on Al2O3 68
4.3.1 Surface and Morphological analysis of Al2O3/Co-Mo 68
4.3.2 Effect of IBSD deposition parameters on NP formation 71
4.3.3 Analysis of CCVD grown SWCNT on Al2O3/Co-Mo 72
4.3.4 Chirality and diameter analysis of SWCNTs on Al2O3/Co-Mo 76
4.4 Comparison of SWCNT from different catalyst configurations 77
5 Growth of SWCNT using gradient layer of catalyst 79
5.1 Analysis of grown SWCNT on Co-Mo using step gradient A 79
5.2 Analysis of grown SWCNT on Co-Mo using step gradient B 80
5.2.1 Growth of SWCNT by utilizing shutter at position I 80
5.2.2 Growth of SWCNT by utilizing shutter at position II 82
5.2.3 Effect of vacuum breaking on CCVD growth of SWCNT 83
6 Growth of SWCNT using gradient layer catalyst in vertical CVD reactor B 87
6.1 SWCNT growth on gradient layer of monometallic catalyst 87
6.1.1 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Co 87
6.1.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Ni 89
6.1.3 Comparison of SWCNT properties for monometallic of Ni and Co 90
6.2 SWCNT growth on gradient layer of bimetallic catalyst 92
6.2.1 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Co-Mo 92
6.2.2 Analysis of CCVD grown SWCNT on gradient layer of Co-Ru 95
6.2.3 Comparison of SWCNTs on Co-Mo and Co-Ru catalyst systems 98
6.2.4 Analysis of CCVD grown SWCNTs on gradient layer of Ni-Ru 100
7 Growth of SWCNT using spin-coated catalyst precursor in horizontal CVD reactor 103
7.1 Effect of CCVD growth temperature on SWCNT properties 103
7.2 Effect of catalyst calcination temperature on SWCNT properties 103
7.3 Analysis of CCVD grown SWCNT on Co and Co-Ru 105
7.3.1 Monolayer configuration of different Co precursors 105
7.3.2 Bilayer configuration of Co and Ru precursors 106
7.3.3 Trilayer configuration of Co and Ru precursors 107
7.3.4 Monolayer configuration of Mixture Co and Ru precursors 109
7.3.5 Comparison of SWCNTs on different catalyst configurations 110
8 Growth of SWCNT using spin-coated catalyst precursor in vertical CVD reactor B 113
8.1 Growth of SWCNT on Mixture of Co and Ru precursors 113
8.2 Effect of CVD reactor geometry on SWCNT properties 115
8.3 Effect of catalyst preparation technique on SWCNT properties 116
8.4 Wafer-level growth of SWCNT on bimetallic Co-Ru 117
9 SWCNT-based device fabrication 119
9.1 Different approaches for SWCNT-based device fabrication 119
9.2 Growth-based technique for SWCNT-based device fabrication 121
9.2.1 FET fabrication on in-plane random network SWCNT 121
9.2.2 FET fabrication on out-of-plane random network SWCNT 123
10 Summary and outlook 127
Appendix 131
Bibliography 171
List of tables 183
List of figures 185
Versicherung 197
Theses 199
Curriculum vitae 201
List of publications 203
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Beyond Janus Geometry: Characterization of Flow Fields around Nonspherical Photocatalytic MicroswimmersHeckel, Sandra, Bilsing, Clemens, Wittmann, Martin, Gemming, Thomas, Büttner, Lars, Czarske, Jürgen, Simmchen, Juliane 16 May 2024 (has links)
Catalytic microswimmers that move by a phoretic mechanism in response to a self-induced chemical gradient are often obtained by the design of spherical janus microparticles, which suffer from multi-step fabrication and low yields. Approaches that circumvent laborious multi-step fabrication include the exploitation of the possibility of nonuniform catalytic activity along the surface of irregular particle shapes, local excitation or intrinsic asymmetry. Unfortunately, the effects on the generation of motion remain poorly understood. In this work, single crystalline BiVO₄ microswimmers are presented that rely on a strict inherent asymmetry of charge-carrier distribution under illumination. The origin of the asymmetrical flow pattern is elucidated because of the high spatial resolution of measured flow fields around pinned BiVO₄ colloids. As a result the flow from oxidative to reductive particle sides is confirmed. Distribution of oxidation and reduction reactions suggests a dominant self-electrophoretic motion mechanism with a source quadrupole as the origin of the induced flows. It is shown that the symmetry of the flow fields is broken by self-shadowing of the particles and synthetic surface defects that impact the photocatalytic activity of the microswimmers. The results demonstrate the complexity of symmetry breaking in nonspherical microswimmers and emphasize the role of self-shadowing for photocatalytic microswimmers. The findings are leading the way toward understanding of propulsion mechanisms of phoretic colloids of various shapes.
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