In der vorliegenden Dissertationsschrift werden quaternäre Mischmetalloxid Katalysatoren zur Nutzung in Power-to-Gas Systemapplikationen untersucht. Als chemische Reaktion wird die Methanisierung von Kohlenstoffdioxid mittels Wasserstoff innerhalb des Sabatier-Prozesses verwendet. Unter Verwendung kombinatorischer Hochdurchsatzmethoden werden unterschiedliche Elementkombinationen entwickelt, charakterisiert und in dafür konstruierten Reaktorsystemen untersucht. Die verwendeten Reaktorsysteme sind ein 10-fach-Parallel Gasphasen-Strömungsreaktor mit installierbaren beschichteten Mikrospaltreaktorplatten (Katalysator-Screening) und ein Mikrospaltreaktor mit Wandkatalysatoren (Katalysator-Validierung). Die Synthese der 588 Katalysatoren unterschiedlicher Zusammensetzungen erfolgt mittels Imprägnier- und Sol-Gel Methoden. Scale-up Untersuchungen der Synthesemethoden werden mit den reaktionstechnisch aktivsten Katalysatoren durchgeführt. Für die Beschichtung der synthetisierten Katalysatoren auf die Mikrospaltplatten bzw. Reaktorwand werden Spritzverfahren bzw. Rakeltechniken in einem Design of Experiment (DoE) evaluiert. Als Beschichtungsverfahren der Katalysatoren zur reaktionstechnischen Untersuchung wird das Niederdruckspritzverfahren verwendet. Die erzeugten Katalysatorschichten weisen eine durchschnittliche Schichtdicke von 250 µm auf. Für die Screening-Untersuchungen der Katalysatoren wird ein 10-fach-Parallel Gasphasen-Strömungsreaktor konstruiert. Als Entscheidungskriterien dienen die reaktionstechnischen Größen Umsatz, Ausbeute und Selektivität in Abhängigkeit der Reaktionstemperatur und des -druckes. Die zehn aktivsten Katalysatoren werden in einem modifizierten Mikrospaltplattenreaktor als Wandkatalysatoren untersucht. Neben den reaktionstechnischen Kenngrößen Umsatz, Ausbeute und Selektivität bei optimalen Reaktionsparametern werden ebenfalls Raum-Zeit-Ausbeute und Katalysator-Zeit-Ausbeute bestimmt. Diese dienen zum Vergleich mit Reaktorsystemen bestehender Pilotanlagen, um die Effizienz der Katalysatoren in Verbindung mit dem mikrostrukturierten Reaktorsystem zu ermitteln. Zusätzlich werden Langzeitmessungen durchgeführt, um die Stabilität des Katalysatorsystems zu untersuchen. Aufgrund der Exothermie der vorliegenden Methanisierungsreaktion ist die Betrachtung lokaler Hitzezonen für eine zukünftige reaktionstechnische Anwendung von hohem Interesse. Die zu validierende Katalysatorschicht wird mittels einer Infrarot-Kamera durch ein Saphirglas unter Reaktionsbedingungen betrachtet. Aus diesen Untersuchungen kann ein zeitlicher Temperaturverlauf entlang der Strömungsrichtung auf der Katalysatoroberfläche erzeugt werden. An dem validierten Katalysator werden die Charakterisierungsmethoden Pulverröntgendiffraktometrie, Ramanspektroskopie, Thermogravimetrische Analyse, Transmissionselektronenmikroskopie, energiedispersive Röntgenspektroskopie, sowie verschiedene Physisorptions- und Chemiesorptionsuntersuchungen durchgeführt. Zusätzlich dienen Haftzugfestigkeitsversuch und Scratch-Test zur Überprüfung der mechanischen Stabilität des Katalystorsystems. Des Weiteren liefern metallographische Querschnittsaufnahmen einen Einblick in die Beschaffenheit der gespritzten Katalysatorschicht. Der Katalysator NiIrCeOx_IWI zeigt die besten katalytischen Ergebnisse bei den Untersuchungen im 10-fach-Parallel Gasphasen-Strömungsreaktor und im Mikrospaltreaktor mit Wandkatalysatoren. Dieser Katalysator besteht in seinem reduzierten Zustand aus 12-mol% Nickel, 3-mol% Iridium und 85-mol% Cer(IV)-oxid. Die Synthese erfolgt mittels Trockenimprägnierung (engl. incipient wetness impregnation, IWI). Er wird mittels Niederdruckspritzverfahren auf die Reaktorwand durch mehrfache Beschichtungszyklen aufgetragen. Unter Verwendung der optimalen Reaktionsparameter für dieses Katalysatorsystem werden Umsatze von 99,5 % und Selektivitäten von 99,9 % erreicht, welche dem chemischen Gleichgewicht entsprechen. In den Langzeitmessungen (260 h) stellt sich ein konstanter Umsatz von 95,3 % und eine Selektivität von 99,6 %. Die operando-IR Untersuchungen zeigen eine maximale Temperaturerhöhung auf der Katalysatoroberfläche von 10,2 K. Dies ist im Vergleich zu anderen Reaktorsystemen, welche Temperaturerhöhungen bis zu 80 K aufweisen, sehr gering. Die Untersuchungen mittels Pulverröntgendiffraktometrie lassen auf eine Mischkristallbildung zwischen Nickel und Iridium schließen. Raman-Spektroskopie und Thermogravimetrische Analyse zeigen, dass der Katalysator eine hohe Sauerstoffspeicherkapazität vorweist, welche die Methanisierungsreaktion begünstigt. Transmissionselektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie beschreiben eine gleichmäßige Verteilung von Nickel auf den Cer(IV)-oxid Partikeln, während sich Iridium-Cluster durch die Reduktion des Katalysators bilden. Durch Untersuchungen des Grades der Struktursensitivität kann die Methanisierungsreaktion mit diesem verwendeten Katalysatorsystem als sturkturinsensitiv angesehen werden. Somit findet die Reaktion an Flächen-, Kanten- und Eckatomen statt. Die Haftzugfestigkeit des Katalysatorsystem in Verbindung mit der verwendeten Mikrospaltplatte liegt mit 8,5 N·cm-2 auf dem gleichen Niveau wie bekannte Literatursysteme. Scratch-Test Untersuchungen zeigen, dass der Katalysator sowohl gegen Oberflächenabrieb, als auch Krafteinwirkungen in die Schicht widerstandsfähig ist. Die metallographischen Querschnittaufnahmen der Katalysatorschicht zeigen ein poröses Katalysatorsystem, welches eine gute Verbindung zwischen Metalloberfläche der beschichteten Mikrospaltplatte und der gespritzten Katalysatorschicht aufweist. Weitere Erkenntnisse über die katalytische Stabilität des Katalysators NiIrCeOx_IWI für die Sabatier-Reaktion können durch Einsatz von Katalysatorgiften, z.B. Schwefeloxide und Zugabe des Produktes Methan zum Eduktgasstrom zur Simulation eines Biogasgemisches erhalten werden. Zusätzlich wäre durch eine Automatisierung der Beschichtungsmethode Niederdruckspritzverfahren die Herstellung von Gradientenschichten von Interesse, um die Temperaturerhöhung innerhalb der Katalysatorschicht weiter zu reduzieren und den Anteil der genutzten Katalysatormasse zu erhöhen. Diese Untersuchungen sind nicht Bestandteil der vorliegenden Arbeiten, spiegeln allerdings Möglichkeiten für zukünftige Untersuchungen wider.:Inhaltsverzeichnis 1 Motivation und Aufgabenstellung 1 2 Arbeitsumfang und Zielstellung 3 3 Kenntnisstand 5 3.1 „Power-to-Gas“ – alternatives Energiekonzept 5 3.2 Sabatier-Prozess 6 3.2.1 Thermodynamik der Sabatier-Reaktion 6 3.2.2 Reaktionsmechanismen und Katalysatorsysteme 8 3.3 Wirtschaftliche Umsetzung des „Power-to-Gas“ Prinzips 10 3.3.1 Wirkungsgrad der Sabatier-Reaktion unter Nutzung konventioneller Reaktoren 10 3.3.2 Wärmeabfuhr und Prozesssicherheit 10 3.3.3 Einsatz von Mikrostrukturreaktoren 11 3.3.4 Wirtschaftlichkeit von Mikrostrukturreaktoren 11 3.4 Herstellungsmethoden für Katalysatorsysteme 12 3.4.1 Fällungsreaktionen 12 3.4.2 Imprägnierungen 13 3.4.3 Sol-Gel-Prozesse 14 3.5 Beschichtung der Reaktorwände von Mikrostrukturreaktoren 16 3.5.1 Niederdruckspritzverfahren 19 3.5.2 Rakel-Technik 21 3.6 Design of Experiment 22 3.7 Katalysatorscreening und Hochdurchsatz-Experimentation 23 3.8 Mikroreaktionstechnik 24 3.8.1 Mikroeffekte 25 3.8.2 Heterogene Katalyse mit Wandkatalysatoren in Mikrostrukturreaktoren 26 3.8.3 Transporterscheinungen in Wandkatalysatoren 28 3.8.3.1 Stofftransport 28 3.8.3.2 Wärmetransport 29 4 Ergebnisse und Diskussion 31 4.1 Katalysatorauswahl und –synthese 31 4.1.1 Zusammensetzung der Katalysatoren 31 4.1.2 Anzahl der Katalysatoren 32 4.1.3 Trockenimprägnierung (incipient wetness impregnation – IWI) 33 4.1.3.1 Scale-up der Katalysatoren hergestellt über IWI 35 4.1.4 Nassimprägnierung (wet impregnation – WI) 36 4.1.4.1 Scale-Up der Katalysatoren hergestellt über WI 37 4.1.5 Sol-Gel-Methode 38 4.1.5.1 Scale-Up der Katalysatoren hergestellt über Sol-Gel-Methoden 39 4.1.5.2 Charakterisierung 41 4.2 Beschichtung der Mikrospaltplatten und Präparation von Wandkatalysatoren 43 4.2.1 Niederdruckspritzverfahren 43 4.2.1.1 Voruntersuchungen zur Beschichtungsoptimierung der Trägermaterialien 44 4.2.1.2 Katalysatorschichtdickenbestimmung 47 4.2.2 Rakel-Technik 48 4.2.2.1 Suspensionsparameter 50 4.2.2.2 Bewertung der Rakel-Beschichtungsmethode mittels Design of Experiment (DoE) 51 4.2.2.3 Untersuchungen der mechanischen Stabilität der erzeugten Katalysatorschichten 56 4.2.2.4 Katalysatortestung 57 4.2.3 Vergleich gerakelter und gespritzter Schichten 58 4.3 Katalysatorscreening im 10-Fach-Parallel-Reaktor 62 4.3.1 Konstruktion Screening-Reaktor 62 4.3.2 Voruntersuchungen zur Screeningparameterfindung 65 4.3.3 Screening-Ergebnisse 68 4.3.4 Sorptionsmessungen 72 4.4 Validierung der Katalysatoren im Mikrospaltreaktor 75 4.4.1 Aufbau und Betrieb 77 4.4.2 Reaktionstechnische Untersuchungen 78 4.4.3 Alterungsuntersuchungen des Katalysators NiIrCeOx_IWI 85 4.4.4 Bestimmung Aktivierungsenergie 88 4.5 Prüfung auf Wärmetransportlimitierung mittels IR-Kamera 90 4.5.1 Theoretische Betrachtung des Wärmetransportes 90 4.5.2 Operando-IR Untersuchungen 97 4.6 Charakterisierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI 103 4.6.1 Pulverröntgendiffraktometrie (PXRD) des Katalysator NiIrCeOx_IWI 104 4.6.2 Untersuchungen mittels Ramanspektroskopie des Katalysators NiIrCeOx_IWI 105 4.6.3 Thermogravimetrische Analyse des Katalysators NiIrCeOx_IW 108 4.6.4 Transmissionselektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie zur Charakterisierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI 113 4.6.5 Struktursensitivität 116 4.7 Untersuchungen zur mechanischen Schichtstabilität 120 4.7.1 Untersuchungen zur Haftzugfestigkeit 120 4.7.2 Querschnittsaufnahmen einer Wandkatalysatorschicht 122 4.7.3 Scratch-Test 124 5 Bewertung und Ausblick 127 6 Zusammenfassung 128 7 Experimenteller Teil 129 7.1 Verwendete Chemikalien und Geräte 129 7.2 Katalysatorsynthesen 133 7.2.1 Sol-Gel Route mittels Propionsäure-Starter (SGPS) [137] 133 7.2.2 Modifizierte Sol-Gel Route mittels Zitronensäure-Starter (SGCA) 135 7.2.3 Incipient wetness impregnation 135 7.2.4 Wet impregnation 136 7.3 Herstellung einer spritzfähigen Katalysatorsuspension 136 7.4 Beschichtung von Mikrospaltplatten 138 7.5 Katalysatorscreening der Wandkatalysatoren im 10-fach-Parallel-Gasphasenreaktor 140 7.6 Validierung im Mikrospaltreaktor 142 7.7 Operando-IR-Untersuchungen der Katalysatorschichten 144 7.8 Sorptionsmessungen 144 7.9 Charakterisierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI mittels PXRD 145 7.10 Charakterisierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI mittels Ramanspektroskopie 146 7.11 Charakterisierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI mittels Thermogravimetrischer Analayse (TGA) 146 7.12 Charakterisierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI mittels Transmissionselektronenmikroskopie 147 7.13 Schichtstabilitätsuntersuchungen mittels Haftzugfestigkeitsversuch und Scratch-Test 147 8 Anhang 149 8.1 Beschichtungsparameter des Niederdruckspritzverfahrens für die Trägermaterialien ZrO2 und SiO2 149 8.2 Rakeluntersuchung 149 8.2.1 Rakelkonstruktion und Rakelführung 151 8.3 Mikroskopieaufnahmen gerakelter Katalysatorschichten nach DoE (Aufnahmen durchgeführt von M. Optiz – Bachelorarbeit[143]) 153 8.4 Flächenanteile Risse und Löcher im DoE der Rakelbeschichtung und Effekte der Einflussfaktoren und Wechselwirkungen 154 8.5 Ergebnisse der Vorversuche zur Parameterfindung des Katalysatorscreenings 155 8.6 Ergebnisse des Katalysatorscreenings 156 8.7 Konstruktion des zur Validierung verwendeten Mikrospaltreaktors 160 8.8 Erste Validierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI mit Stofftransportlimitierung163 8.9 Ergebnisse der Validierung der neun besten Katalysatoren und des Referenzkatalysators im Mikrospaltreaktor 164 8.10 Bestimmung der Aktivierungsenergie 165 8.11 Aufnahmen Katalysatorschicht NiIrCeOx_IWI mittels IR Kamera 166 8.12 Berechnung TOF für Bestimmung der Struktursenisitvität 169 9 Verzeichnisse 171 9.1 Abbildungsverzeichnis 171 9.2 Abkürzungsverzeichnis 177 9.3 Formelverzeichnis 178 9.4 Literaturverzeichnis 180 9.5 Tabellenverzeichnis 190 Danksagung 196 Selbstständigkeitserklärung 198 Wissenschaftlicher Werdegang 199

Lead is a naturally occurring element that has high atomic weight (207u) and density (11.3 g/cm3). Their multiple industrial, domestic, agricultural, medical and technological applications have led to their wide distribution in the environment, raising concerns over their potential effects on human health and the environment. At present, extensive application of nanosilica in environmental pollution treatment has led to the development of silica extraction methodologies out of various chemical and waste products. In this study, nanosilica is synthesized by sol-gel method from tetraethoxysilane (TEOS) with base catalysts and volumetric ratio TEOS/C2H5OH/H2O/NH4OH: 5/30/1/1 and identified characteristics by some modern techniques such as Energy-dispersive Xray spectroscopy (EDX), Fourrier Transformation Infrared (FTIR) and X-ray diffraction (XRD), Scanning electron micrograph (SEM), field emission scanning electron microscopy (FESEM). The results showed that the prepared SiO2 nanoparticles were amorphous phase with the average size about 60-100 nm and can be used as an immediately utilization for lead treatment. At the pH of 5, shaking within 1 hours with speed 150rpm/min, lead treatment efficiency is 96.17% for initial Pb2+ concentration 10 mgPb2+/L. Maximum adsorption concentration Qmax = 30.3mg/g, and adsorbent and adsorbate constant b = 0.868 L/g. Therefore, extracted nanosilica from TEOS has high lead treatment efficiency. In addition, synthesis nanosilica from rice husk with similar characteristics is a new research approach to improve application and economic value of the material. / Chì là nguyên tố tự nhiên có khối lượng nguyên tử cao(207 đvC), tỉ trọng lớn (11,3 g/cm3) và được ứng dụng phổ biến trong công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt, y tế và công nghệ. Việc sử dụng rộng rãi chì trong nhiều lĩnh vực làm tăng mối quan ngại về tác động tiềm tàng của chúng đối tới sức khỏe con người và môi trường. Hiện nay việc áp dụng rộng rãi nanosilica vào xử lí ô nhiễm môi trường đã và đang dẫn đến sự phát triển của các phương pháp tách chiết silica từ hóa chất và các phế phụ phẩm. Trong nghiên cứu này, nanosilica được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel từ tetraetoxysilan (TEOS) với xúc tác bazo theo tỷ lệ thể tích TEOS/C2H5OH/H2O/NH4OH là 5/30/1/1 và xác định các đặc tính bằng một số kỹ thuật hiện đại như phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), quang phổ hồng ngoại (FTIR) và nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM). Kết quả cho thấy các hạt nano SiO2 tách chiết được có pha vô định hình với kích thước trung bình khoảng 60-100 nm và được sử dụng trực tiếp cho xử lí chì. Tại điều kiện pH=5, lắc trong 1 giờ với tốc độ 150 vòng/phút, hiệu quả xử lý chì đạt 96,17% đối với nước nhiễm kim loại chì có nồng độ ban đầu là 10mgPb2+/L. Lượng hấp phụ cực đại Qmax = 30,3mg/g; hằng số đặc trưng của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ b = 0,868L/g. Như vậy, hiệu quả xử lý kim loại chì của vật liệu nano silica được tổng hợp từ TEOS là rất cao. Bên cạnh đó, nghiên cứu chế tạo nanosilica từ vỏ trấu với các đặc tính tương tự là một hướng đi mới giúp nâng cao tính ứng dụng và giá trị kinh tế của vật liệu.

Orientador: Celso Valentim Santilli / Banca: Rodrigo Fernando da Costa Marques / Banca: Eduardo José Nassar / Resumo: A produção de aluminas com distribuição de tamanho e volume de poros controlados pela separação de fases líquido-sólido é um assunto emergente na área de cerâmicas porosas. As aluminas foram produzidas pelo processo sol-gel acompanhado de separação de fases, usando o óxido de polietileno (PEO) como agente indutor na separação de fases e o óxido de propileno para a gelatinização, para isso foram estabelecidas condições de controle cinético e termodinâmico desses eventos, através do controle do tempo de agitação e temperatura no meio reacional. Foram otimizadas rotas de síntese através do ajuste dos parâmetros de preparação variando a concentração do agente direcionador de poros PEO durante a transição sol-gel. Esta transformação foi acompanhada in-situ por SAXS revelando que o crescimento de objetos fractais com dimensionalidade de 1,7, que é característico do mecanismo e agregação controlado pela difusão. A calcinação em 700°C possibilitou a produção de aluminas da fase gama (-Al2O3) com textura porosa formada por macro e mesoporos. O uso do agente direcionador de poros PEO em proporção molar entre 0,01-0,07 mostrou-se eficiente no ajuste da macro-mesoporosidade. Entretanto quando se emprega proporções molares de PEO acima de 0,07 obtém-se apenas famílias de mesoporos com um decaimento do volume específico de poros quando a proporção molar aumenta de 0,08 para 0,1. Estas aluminas mesoporosas apresentaram maior área superficial especifica (Área BET máximo de  305 m²/g) e uma melhor relação OH/-O-Al em comparação com as macro-mesoporosas. / Abstract: The production of alumina with volume and size distribution of pores controlled by phase separation induced by the addition of the polymer polyethylene oxide (PEO) during synthesis is an emerging issue in the area of functional ceramics. The aluminas were produced by the sol-gel process followed by phase separation, and the PEO as inducing agent phase separation and propylene oxide to gelation. Conditions for kinetic and thermodynamic control over these events were kept by controlling the stirring time and temperature in the reaction medium. Synthesis routes have been optimized by adjusting the preparation parameters varying the concentration of pores directing agent (PEO) during sol-gel process. This transformation was accompanied by in-situ SAXS and the results reveal the growth typical of fractal objects starting from a diluted solution, whose dimensionality in the Porod region was 1,7, characteristic of aggregation controlled by diffusion and the distances between the growing particles is around 2,95 nm. Gamma alumina (-Al2O3) with diversified porous texture and macro-mesopores was obtained with thermal treatment up to 700 ° C, being supported by several techniques. The macro-mesoporosity can be adjusted by PEO driver pores agent in a molar ratio from 0,01 to 0,07. Molar ratios of PEO above 0,07 produces only mesopores, decreasing the cumulative volume of this pores when the molar ratio increases from 0,08 to 0,1. These mesoporous aluminas had higher specific surface area (BET Area  305 m² / g) and better ratio OH/O-Al compared to the macro-mesoporous. / Mestre

Thesis (PhD (Chemistry and Polymer Science))--University of Stellenbosch, 2007. / In this thesis the main capillary electrodriven chromatographic techniques (i.e. Capillary Electrochromatography CEC, Micellar Electrokinetic Chromatography MEKC and Microemulsion Electrokinetic Chromatography MEEKC) were compared in terms of column manufacturing, fundamental chromatographic performance, and some applications were developed. The first stage of this thesis aimed at developing improved packed and open tubular CEC columns. For the manufacturing of packed CEC columns, the frit-burning step proved of critical importance, together with the slow build-up of the packed bed. The making of open tubular columns is a relatively simple, "one pot" sol-gel reaction taking place in mild conditions. The nature of the gel and the resulting selectivity of the column could easily be changed by changing the precursors. In a second stage of this thesis the packed and open tubular CEC columns were evaluated chromatographically and compared with the results obtained by MEKC and MEEKC. All electrodriven separation techniques showed high efficiencies. The selectivity proved easier to tune with sol-gel chemistry for the making of open tubular columns. Resolution is acceptable for packed CEC, MEKC and MEEKC. For peak capacity, CEC has the advantage of a practically non-limited elution time, while MEKC and MEEKC suffer of the drawback of the existence of an elution window which is limited in time by the elution of the micelles. Some applications were developed in this study on open tubular CEC columns and for the packed CEC columns. Various sugars derivatized with 9- aminopyrene-1,4,6-trisulfonic acid (APTS) could be separated with open tubular CEC, using an octyl, amino or cyano stationary phase. Open tubular columns containing α, β and γ cyclodextrins attached to the stationary phase were developed. This approach proved promising for the separation of positional isomers. A method was developed for the analyses of a mixture of carbamates and for several steroids with packed column CEC directly coupled with MS.

The generation of nanostructured microscale assemblies with complex, three-dimensional (3-D) morphologies possessing multicomponent inorganic compositions tailored for adhesion is of considerable scientific and technological interest. This dissertation demonstrates that self-assembled 3-D organic templates of biogenic origin can be converted into replicas comprised of numerous other functional nanocrystalline inorganic materials and, further, how such replicas can tailored for adhesion. Nature provides a spectacular variety of biologically-assembled 3-D organic structures with intricate, hierarchical (macro-to-micro-to-nanoscale) morphologies designed for particle adhesion. The conformal coating of such structurally-complex biotemplates with synthetic materials provides a framework for chemical transformation of other, complex synthetic organic templates and the basis to study imparted adhesion properties. Three specific research thrusts are detailed in this document. First, freestanding magnetite (Fe3O4) replicas of bio-organic templates are synthesized via a layer-by-layer (LbL) wet chemical deposition process and subsequent morphology-preserving thermal treatments to allow for structures with tailorable long-range magnetic adhesion. Second, freestanding spinel ferrite replicas of bio-organic templates are synthesized (via LbL coating and thermal treatment) for grain size controlled long-range magnetic adhesion and short range van der Waals adhesion. The final research thrust focuses on the use of a low temperature (≤ 250°C) wet-chemical based process to convert bioorganic templates into magnetically-coated structures retaining both the size and morphology of the template. The rate-limiting kinetic mechanism(s) of the partial reduction of the inorganic coatings have been examined via quartz crystal microbalance analysis. The effects of the coating micro/nanostructure on magnetic behavior and on surface adhesion, have been investigated.

This dissertation addresses two topics associated with the assembly of surfactants at the solid-liquid interface for adsorption and materials synthesis. The first is the adsorption of an anionic fluorinated surfactant, tetraethylammonium perfluorooctylsulfonate (TEA-FOS), at the solid/liquid interface. Attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy is used to study the adsorption kinetics and average orientation of surfactants at the hydroxylated germanium surface. Atomic force microscopy provides complementary images of the adsorbed layer structure on mica. The adsorption follows unusual three-stage kinetics in which the rate of adsorption starts fast, slows as the surface becomes crowded, and then (surprisingly) accelerates due to nucleation of a heterogeneous multilayer structure. These fast-slow-fast three stage adsorption kinetics are observed for a wide range of concentrations at pH 6, and the rates of the three stages are modulated by pH and salt by tuning electrostatic interactions among surfactants, counterions, and the surface. The results suggest that tetraethylammonium mediates interactions between surfactants and with negatively charged surfaces. The dichroism measurements and AFM are consistent with a mechanism in which TEA-FOS first forms an incomplete layer with chains oriented randomly or somewhat parallel to the surface, followed by formation of flattened multilayer clusters with the chains oriented somewhat normal to the substrate. The second topic is the sol-gel synthesis of mesoporous silica materials using dual surfactant templates. Studies of templating with mixed cetyltrimethylammonium bromide and octyl-beta-D-glucopyranoside surfactants shows that the ternary phase diagram of surfactants in water can be used to predict mesoporous materials structure, and that vapor-phase ammonia treatments can either stabilize the structure or induce swelling by the Maillard reaction. Studies of sol-gel reaction-induced precipitation with demixed hydrocarbon and fluorocarbon cationic surfactant micelles show a wide variety of pore structures. A number of synthesis parameters are adjusted to tune the pore structure, for instance to adjust the size and populations of bimodal mesopores. Selective swelling of the two surfactants by liphophilic and fluorophilic solvents is observed. Finally, proteinaccessible hollow spherical silica particles with mesoporous shells are reported. The methods for engineering mesoporous materials reported here have potential applications in adsorption, controlled drug delivery and for catalysis.

Modeling the competition between drying and curing processes in polymerizing films is of great importance to many existing and developing materials synthesis processes. These processes involve multiple length and time scales ranging from molecular to macroscopic, and are challenging to fully model in situations where the polymerization is non-ideal, such as sol-gel silica thin film formation. A comprehensive model of sol-gel silica film formation should link macroscopic flow and drying (controlled by process parameters) to film microstructure (which dictates the properties of the films). This dissertation describes a multiscale model in which dynamic Monte Carlo (DMC) polymerization simulations are coupled to a continuum model of drying. Unlike statistical methods, DMC simulations track the entire molecular structure distribution to allow the calculation not only of molecular weight but also of cycle ranks and topological indices related to molecular size and shape. The entire DMC simulation (containing 106 monomers) is treated as a particle of sol whose position and composition are tracked in the continuum mass transport model of drying. The validity of the multiscale model is verified by the good agreement of the conversion evolution of DMC and continuum simulations for ideal polycondensation and first shell substitution effect (FSSE) cases. Because our model allows cyclic and cage-like siloxanes to form, it is better able to predict the silica gelation conversion than other reported kinetic models. By studying the competition between molecular growth and cyclization, and the competition between mass transfer (drying) and reaction (gelation) on the drying process of the sol-gel silica film, we observe that cyclization delays gelation, shrinks the molecular size, increases the likelihood of skin formation, and leads to a molecular structure gradient inside the film. We also find that compared with a model with only 3-membered rings, the molecular structure is more complicated and the structure gradients in the films are larger with 4- membered rings. We expect that our simulation will allow better prediction of the formation of structure gradients in sol-gel derived ceramics and other nonideal multifunctional polycondensation products, and that this will help in developing procedures to reduce coating defects.

<p>   Contamination of surface and ground water from industrial wastes and anthropogenic activities represents one of the greatest challenges to the sustainable development of human society. Heterogeneous photocatalysis, a kind of advanced oxidation process characterized by the production of highly oxidative hydroxyl radicals, is a relatively novel subject with tremendous potential in water treatment applications.</p><p>    The purpose of this research was first to develop feasible hydroxyl radical detection methods, which can be used to evaluate efficiency of photocatalytic process, and second to prepare immobilized TiO2 films with high photocatalytic activities by the sol gel method.</p><p>    The feasibility of Indigo carmine and phthalic hydrazide as OH-radical probes was investigated. The organic dye Indigo carmine absorbs visual light strongly at 610 nm and its destruction can be monitored conveniently in a spectrophotometer. Results showed that both ^·OH and HO₂^·can bleach Indigo carmine, and the bleaching yield of ^·OH was pH independent. The photocatalytic dye bleaching in black light UV illuminated Degussa P25 TiO2 aerated suspensions was then investigated. A strong pH dependency of the bleaching yield was found.  This implies that the quantum yield of OH radical at pH 3 is one fourth compared to that at pH 10. The reaction of the OH radical with phthalic hydrazide will form strongly chemiluminescent 3-hydroxyphthalic hydrazide. Using the more specific phthalic hydrazide as OH radical probe, an even stronger pH dependent quantum yield of OH radical was found. At pH 10 the quantum yield reached the same magnitude as that obtained by using Indigo carmine, whereas the quantum yields at acidic pH were close to zero. However it was found that the addition of phosphate and fluoride anions can substantially enhance the OH radical yield at acidic pH by blocking the adsorption of phthalic hydrazide onto the TiO2 surfaces. Hence the adsorption of phthalic hydrazide to TiO2 is an important factor to consider when this method is used. <em></em></p><p>    Photocatalytic TiO2 films coated on metal plates were prepared by a sol gel method using titanium isopropoxide as TiO2 precursor and isopropanol as solvent. The photocatalytic activity of the obtained films was evaluated by bleaching of indigo carmine at pH 9 under black light UV irradiation. The effect of the molar ratio of isopropanol, water and hydrochloric acid to titanium isopropoxide was studied. It was also shown that the activities of TiO2 films are considerably influenced by calcination temperature, coating cycles and the supporting materials.</p> / <p>    Förorening av yt- och grundvatten från industrier och humana aktiviteter utgör en av de största utmaningarna för en hållbar utveckling av det mänskliga samhället. Heterogen fotokatalys, en slags avancerad oxidations process som kännetecknas av att starkt oxidativa hydroxylradikaler produceras, är en relativt ny teknik med stor potential för vattenrening.</p><p>    Ett syfte med detta licentiatarbete var först att utveckla och genomföra olika metoder för att detektera bildningen av hydroxylradikaler såväl i laboratoriet som i tekniska miljöer. Det andra syftet med arbetet var att syntetisera immobiliserade TiO2 filmer med hög fotokatalytisk effektivitet med en sol-gel metod.</p><p>    Möjligheten att använda indigokarmin och ftalhydrazid som OH-radikalprob undersöktes. Det organiska färgämnet indigokarmin absorberar synligt ljus starkt vid 610 nm vilket gör att dess nedbrytning lätt kan följas i en spektrofotometer. Resultaten av gammaradiolys visade att båda ^•OH och HO₂^• kan bleka indigokarmin och att den blekning som härrör från ^•OH var oberoende av pH. Fotokatalytisk blekning av indigokarmin med blacklight UV bestrålning av  Degussa P25 TiO2 suspensioner undersöktes sedan. Ett starkt pH-beroende av blekningsutbytet erhölls vilket tolkas som att kvantutbytet av OH-radikaler vid pH 3 är en fjärdedel jämfört med det vid pH 10.</p><p>    När ftalhydrazid reagerar med OH-radikaler bildas starkt kemiluminiscent 3-hydroxy-ftalhydrazid. Med denna  specifika OH-radikalprob, erhölls ett ännu starkare pH beroende. Vid pH 10 var kvantutbytet i paritet med det som erhölls med indigokarmin, medan kvantutbytet vid lågt pH var nära noll. Tillsats av fosfat-  och fluoridjoner visade sig avsevärt öka OH-radikalutbytet vid lågt pH-värde genom att blockera adsorption av ftalhydrazid på TiO2 ytorna. Adsorptionen av ftalhydrazid på TiO2 är således en viktig faktor när denna metod används.</p><p>    Fotokatalytiskt verksamma TiO2-filmer på metallplattor framställdes med sol-gel metoden med titan-isopropoxide som TiO2-prekursor och isopropanol som lösningsmedel. Den fotokatalytiska aktiviteten av TiO2-belagda plattor utvärderades genom blekning av indigokarmin vid pH 9 under blacklight UV-bestrålning. Effekten av olika proportioner mellan isopropanol, vatten och saltsyra till titan isopropoxide undersöktes. Det visade sig att denfotokatalytiska aktiviteten av TiO2-plattorna i hög grad påverkades av kalcineringstemperatur, beläggningscykler och materialet i plattorna.</p>

Ce travail est consacré au développement de luminophores ultraphosphatés de formule LnP5O14 (Ln=Gd, La et Y) activés par les ions Eu3+ et/ou Tb3+, synthétisés par la technique sol-gel sous forme de poudres. Les conditions opératoires optimales ont été déterminées, la caractérisation des intermédiaires de réaction et de matériaux finaux a été menée d'un point de vue structural (DRX, IR, Raman, RMN) ou morphologique (MEB, granulométrie laser). L'activation par une sonde fluorescente comme l'ion Eu3+ a aussi permis d'affiner la caractérisation des matériaux en identifiant les signatures spectrales des centres émetteurs corrélativement à leur environnement cristallographique. Une étude structurale a permis de caractériser les variétés monoclinique C2/c et orthorhombique Pnma de l'ultraphosphate d'yttrium YP5O14 à partir des données de la diffraction X sur monocristal. Une étude cristallochimique approfondie des ultraphosphates de formule LnP5O14 a révélé l'existence des variétés monocliniques C2/c pour les ultraphosphates EuP5O14 et GdP5O14 et invalidé l'existence de la variété orthorhombique Pnma pour les ultraphosphates de terres rares de plus grands rayons ioniques. L'étude des propriétés de luminescence sous excitation VUV a montré que les matrices ultraphosphates étudiées dopées en ions Eu3+, répondent favorablement aux conditions requises pour être employées dans les dispositifs plasma. Dans la matrice au gadolinium, un processus de down-conversion est à l'origine du transfert d'énergie entre les ions Gd3+ Et Eu3+ lorsque l'excitation est portée dans la bande d'adsorption caractéristique de la matrice ultraphosphate.

Ce travail concerne, la synthèse, la caractérisation structurale, morphologique et optique de matrices de titanates de baryum (BaTiO3) activées par les ions Eu3+, Er3+ et Yb3+. Trois voies de synthèse sont étudiées : sol-gel, hydrothermale et solide. Il a été montré que la synthèse hydrothermale conduisait à des poudres nanométriques constituées de particules de 20 nm, dix fois plus petites que celles rencontrées dans les poudres obtenues par les techniques classiques de céramisation. L' influence de ce paramètre sur la structure cristallographique des titanates a pu être mise en évidence. L'ajout d'agents chélatants au cours de la synthèse sol-gel permet de modifier la morphologie des poudres et de stabiliser les sols destinés à l'élaboration de revêtements. Des films épais monocouche ( 800 nm) de titanates de baryum dopés Er3+ et Eu3+ ont été ainsi obtenus. Une étude des propriétés optiques des ions de terres rares dans les différents systèmes synthétisés a été menée en enregistrant les différents spectres d'exitation et d'émission. Les phénomènes de transfert d'énergie entre les ions de terres rares ont été étudiés dans les matrices co-dopées