The complete and accurate thermodynamic and kinetic description of any systemis crucialfor understanding and predicting its properties. A particular interest is in systemsthat are used for some practical applications and have to be constantly improved usingmodification of their composition and structure. This task can be quite accuratelysolved at a fundamental level by density functional theory methods. Thesemethods areapplied to two practically important systems Fe-Cr and TiC-ZrC.The elastic properties of pure iron and substitutionally disordered Fe-Cr alloy are investigatedas a function of temperature and concentration using first-principles electronicstructurecalculations by the exact muffin-tin orbitals method. The temperature effectson the elastic properties are included via the electronic, magnetic, and lattice expansioncontributions. It is shown that the degree of magnetic order in both pure iron andFe90Cr10 alloy mainly determines the dramatic change of the elastic anisotropy of thesematerials at elevated temperatures. A peculiarity in the concentration dependence ofthe elastic constants in Fe-rich alloys is demonstrated and related to a change in theFermi surface topology.A thermodynamic model for the magnetic alloys is developed from first principles andapplied to the calculation of bcc Fe-Cr phase diagram. Various contributions to the freeenergy (magnetic, electronic, and phonon) are estimated and included in the model. Inparticular, it is found that magnetic short range order effects are important just abovethe Curie temperature. The model is applied for calculating phase equilibria in disorderedbcc Fe-Cr alloys. Model calculations reproduce a feature known as a Nishizawahorn for the Fe-rich high-temperature part of the phase diagram.The investigation of the TiC-ZrC system includes a detailed study of the defect formationenergies and migration barriers of point defects and defect complexes involvedin the diffusion process. It is found, using ab initio atomistic simulations of vacancymediateddiffusion processes in TiC and ZrC, that a special self-diffusion mechanism isoperative for metal atom diffusion in sub-stoichiometric carbides. It involves a noveltype of a stable point defect, a metal vacancy ”dressed” in a shell of carbon vacancies.It is shown that this vacancy cluster is strongly bound and can propagate through thelattice without dissociating. / <p>QC 20120604</p> / HERO-M

Silicium wird während des Ätzvorgangs von Solar-Wafern mit HF-HNO3-Mischungen hauptsächlich zu Hexafluorosilicat (SiF62-) umgewandelt, welches sich negativ auf den Ätzabtrag, die Reaktivität der Ätzlösung und die Oberflächeneigenschaften der Wafer auswirkt. Möglichkeiten, das Silicium als SiF62- abzutrennen, sollten in dieser Arbeit untersucht werden. Voraussetzung für Abtrennungsuntersuchungen war eine quantitative Bestimmung des SiF62- in Ätzlösungen mittels Ramanspektrometrie. Als Abreicherungs-möglichkeiten des Siliciums in Form von Hexafluorosilicat wurden einerseits das Ausfrieren als Hydrat der Hexafluorokieselsäure (H2SiF6•nH2O) und andererseits die Fällung als K2SiF6 untersucht. Die experimentellen Ergebnisse wurden jeweils gestützt durch thermodynamische Modellierungen: die Tieftemperaturphasendiagramme wurden durch eine modifizierte BET-Modellierung bestätigt, die Löslichkeiten durch Nutzung des SIT-Ansatzes. Demnach erwies sich die Ausfällung als K2SiF6 als ökonomisch günstigste Variante.

Die ternären Systeme Ti/P/Te, Ce/P/Te und Si/P/Te wurden in der vorliegenden Dissertation hinsichtlich der Existenz neuer Verbindungen untersucht. Diese Verbindungen wurden insbesondere in Bezug auf ihre thermochemischen Eigenschaften charakterisiert. Durch Kombination von experimentellen Untersuchungen und thermodynamischen Modellierungen der ablaufenden Festkörper-Gasphasen-Gleichgewichte konnten die Synthesen der neuen Verbindungen optimiert werden. Abschließend erfolgte zudem die physikalische und kristallographische Charakterisierung der gefundenen Phosphidtelluride.

Die Planung von Festkörpersynthesen schließt neben einer sinnvollen Aufteilung der zu untersuchenden Bereiche der Zusammensetzung xi auch eine fundierte Abschätzung der zu erwartenden Existenzbereiche (p, T)x der neuen Phasen ein. Die Form der Darstellung der Phasengleichgewichte in Zustandsbarogrammen folgt aus den thermodynamischen Beziehungen der betreffenden Gasphasenreaktionen (Kp G(T)) als lg(p) - 1/T - Diagramm. Für einfache Konstitutionstypen von Zustandsdiagrammen und –barogrammen wurde eine zusammenfassende Darstellung gegeben. Neben der Abhängigkeit der Existenz von Festkörpern von deren Gesamtdruck können sich wesentliche Bedingungen der Phasenbildung aus dem Partialdruckverhalten der Komponenten ergeben. Für eine phasenreine Darstellung von Oxiden erweist sich entsprechend die Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks p(O2) als essentiell. Zur globalen Einordnung der Existenzbereiche (p(O2), T) bzw. der abgeleiteten Redox-Potentiale oxidischer Festkörper wurde das Konzept einer elektrochemischen Spannungsreihe für Festkörper entwickelt. Auf der Grundlage dieser Prinzipien und mit der Anschaulichkeit der Diagramme der Spannungsreihe lassen sich die Redoxgleichgewichte von Festkörperreaktionen beliebiger Kombination der Elemente M und M’ in einfacher Weise abschätzen. Über die Prinzipien druckabhängiger Gleichgewichtsbeziehungen zwischen kondensierten Bodenkörpern und der Gasphase in einem Gleichgewichtsraum hinaus wurden auch die Mechanismen von Bodenkörper-Gasphasen-Gleichgewichten zwischen zwei miteinander verbundenen Gleichgewichtsräumen untersucht. Neben den bekannten Erscheinungen der Sublimation und Zersetzungssublimation wurde ein neuer Reaktionsmechanismus des Chemischen Transports mit theoretischen Hintergründen, thermodynamischen Modellierungen und experimentellen Beispielen als Auto- oder Selbsttransport beschrieben. / The planning of solid-state synthesis includes beside the areas of composition x a thorough assessment of the existence ranges (p, T) of the new phases. The form of presentation of the phase equilibria in phase barograms follows from the thermodynamic relations of the gas-phase reactions (Kp, G(T)) as a lg(p) - 1/T - diagram. For simple constitution types of phase diagrams and barograms a summary was presented. Apart from the dependence of the existence of solids from the total pressure essential conditions of the phase formation can be deduced from the partial pressure behaviour of the components. The oxygen partial pressure p(O2) is accordingly essential for the formation of phase pure oxides. For global classification of the existence ranges (p(O2), T) and the derived redox potentials of oxidic solids, the concept of an electromotive series for solids has been originated. On the basis of these principles, and with the clarity of the diagrams of the voltage range the redox balance of solid state reactions of any combination of elements M and M' in a simple way is to estimate. In addition to the principles of pressure equilibria between condensed materials and the gas phase in only one equilibrium range the mechanisms of solid - gas equilibria between two interconnected ranges were also described. Besides the well-known phenomena of sublimation and decomposition sublimation a new reaction mechanism of the chemical transport was evaluated as an Auto- or Selftransport with theoretical backgrounds, thermodynamic modelling and experimental examples.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen die Darstellung und Charakterisierung ternärer Bismutsubchloride unter Einbau von Übergangsmetallen der 8., 9. und 10. Gruppe. Durch Vorlage eines hohen Chloranteils in der Synthese wurde die &amp;quot;chemische Schere&amp;quot; der Oxidation so stark wirksam, dass in den Verbindungen die gewünschten voneinander isolierten Cluster aus Metallatomen vorlagen. Die Verbindungen Bi12PtCl12, Bi12-xRhCl13-x, Bi12-xIrCl13-x (x &amp;lt; 1) und Bi6,67PtCl12 wurden als Pulver und als Kristalle durch Festkörperreaktionen bei 1273 K in Quarzglasampullen hergestellt. Die schwarz glänzenden, würfelförmigen Kristalle sind luftstabil, in verdünnten Mineralsäuren und in organischen Lösungsmitteln beständig. Die Zusammensetzungen wurden mit EDX-Analysen und Röntgenbeugung am Einkristall bestimmt. Zur weiteren Charakterisierung wurden quantenchemische Rechnungen, ramanspektroskopische Untersuchungen, Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der elektrischen Leitfähigkeit durchgeführt. Kristalle der Verbindung Bi12PtCl12 täuschen ein rhomboedrisches Kristallsystem vor, die Struktur konnte in der Raumgruppe P 1 als nahezu perfekter Inversionszwilling eines Achsendrillings gelöst werden. Auf den Eckplätzen der pseudorhomboedrischen Elementarzelle befinden sich [PtBi6Cl12]2- -Cluster und in der Mitte ein (Bi6)2+ -Polykation. Dieses (Bi6)2+ -Polykation in Form eines geöffneten Oktaeders bestätigt experimentell Vorhersagen von Kuznetsov et al. Nach den Regeln von Wade ist das Polykation mit 2 x 6 + 4 = 16 Gerüstelektronen als nido-Cluster zu verstehen. Die Schwerpunkte der Anionen und Kationen fügen sich zu einer dem CsCl-Typ analogen Anordnung zusammen. Mit einer vollständigen Besetzung aller Bismutlagen in der Mitte der Elementarzelle kann Bi12PtCl12 eine Schlüsselrolle zugeordnet werden, die sozusagen den Prototyp für diesen Strukturtyp darstellt. Die weiteren Verbindungen stellen unterbesetzte Varianten dar und können von Bi12PtCl12 abgeleitet werden. Im Verlauf der Untersuchungen zu den ternären Subchloriden in den Systemen wurden wenige Kristalle der binären Verbindung Bi7Cl10 erhalten. Die Tatsache, dass es sich um eine neue binäre Phase im recht stark untersuchten Gebiet Bismut-Chlor handelte führte zu einer neuerlichen, systematischen Überprüfung des Systems Bi/Cl. Mittels thermischer Analysen wurde das Zustandsdiagramm Bi/BiCl3 präzisiert. Bi7Cl10 zersetzt sich bereits bei 190 °C peritektoid in Bi6Cl7 und BiCl3 Bi7Cl10(s) = Bi6Cl7(s) + BiCl3(g). Das Zustandsbarogramm des binären Systems wurde über Gesamtdruckmessungen im Membran-Nullmanometer erstmalig bestimmt. Aus den Druckfunktionen der Bismutchloride sowie aus Messungen der Molwärme von Bi6Cl7 wurden die thermodynamischen Standarddaten abgeleitet. Unter Verwendung dieser Daten wurden thermodynamische Modellierungen der Festkörper-Gasphasen-Gleichgewichte durchgeführt, mit deren Hilfe die Synthese von Bi7Cl10 optimiert werden konnte. Die phasenreine Gasphasenabscheidung von Bi7Cl10 ist aufgrund der Kondensation der dominierenden Gasphasenspezies BiCl und BiCl3 im Existenzbereich der Verbindung oberhalb des Zersetzungspunktes (190 °C) nicht möglich. Im Existenzgebiet von Bi7Cl10 kommt der Transport dann wegen der resultierenden Partialdrücke unmittelbar zum Erliegen. Aus Röntgenbeugungsuntersuchungen an Einkristallen geht hervor, dass Bi7Cl10 bei Raumtemperatur in der tetragonalen Raumgruppe I 41/a c d mit a = 28,235(3) und c = 39,950(4) Å kristallisiert (Z = 64). Analog zu Bi6Cl7 = ((Bi9)5+)[(Bi3Cl14)5-] kann Bi7Cl10 unter Verdopplung der Summenformel als ((Bi9)5+)[(Bi5Cl20)5-] formuliert werden. In der Kristallstruktur sind Polykationen (Bi9)5+, welche die Gestalt zweifach überkappter trigonaler Prismen haben, in ein Chlorobismutat(III)-Raumnetzwerk [(Bi5Cl20)5-] eingebettet. Die Polykationen und das Anionennetzwerk sind deutlich voneinander separiert.

<p>The objectives of this doctoral thesis are to give a basisincluding methods for the development of stationary polymerelectrolyte fuel cell (PEFC) systems for combined heat andpower production. Moreover, the objectives include identifyingprerequisites, requirements and possibilities for PEFC systemsproducing heat and power for buildings in Sweden. The PEFCsystem is still in a pre-commercial state, but low emissionlevels, fast dynamics and high efficiencies are promisingcharacteristics.</p><p>A thermodynamic model to simulate stationary PEFC systemshas been constructed and pinch technology and exergy analysesare utilised to design and evaluate the system. The finalsystem configuration implies a high total efficiency ofapproximately 98 % (LHV).</p><p>A flexible test facility was built in connection with theresearch project to experimentally evaluate small-scalestationary PEFC systems at KTH. The research PEFC system hasextensive measurement equipment, a rigorous control system andallows fuel cell systems from approximately 0.2 to 4 kWel insize to be tested. The simulation models of the fuel processorand the fuel cell stack are verified with experimental datataken from the test facility. The initial evaluation andsimulation of the first residential installation of a PEFCsystem in Sweden is also reported. This PEFC system, fuelled bybiogas and hydrogen, is installed in an energy system alsoincluding a photovoltaic array, an electrolyser and hydrogenstorage.</p><p>Technical aspects of designing a fuel cell system-basedenergy system, including storages and grid connections, whichprovides heat and power to a building are presented in thisthesis. As a basis for the technical and economic evaluations,exemplifying energy systems are constructed and simulated. Fuelcell system installations are predicted to be economicallyunviable for probable near-term conditions in Sweden. The mainfactor in the economic evaluations is the fuel price. However,fuel cell system installations are shown to have a higher fuelutilisation than the conventional method of energy supply.</p><p>The methods presented in this thesis serve as a collectedbasis for continued research and development in the area.</p><p><b>Keywords:</b>Small-scale, stationary, fuel cell system,polymer electrolyte fuel cell, PEFC system, reformer,thermodynamic modelling, pinch technology, exergy analyses,system configuration, test facility, experiments, application,simulation, installation, energy system, energy storage, heatand power demand.</p>

Die Arbeit befasst sich mit der thermodynamischen Modellierung des British Gas-Lurgi-Vergasungsprozesses (BGL). Es werden auftretende Schwachstellen des Prozesses analysiert und auf das Verhalten der Mineralstoffkomponenten zurückgeführt. Auf Grundlage einer Stoffbilanz sowie zahlreicher Prozessdaten (BGL-Vergaser der SVZ Schwarze Pumpe GmbH) wurde das in SimuSage erstellte Stufenmodell an Nichtgleichgewichtszustände und Transportvorgänge angepasst. Das Modell erlaubt die qualitative und quantitative Beschreibung eines Alkalikreislaufes, welcher durch KCl geprägt ist. Mit dem Modell werden wirksame Maßnahmen abgebildet, um die Anreicherung von KCl und die damit verbundenen technischen Störungen zu vermeiden.

Silicium wird während des Ätzvorgangs von Solar-Wafern mit HF-HNO3-Mischungen hauptsächlich zu Hexafluorosilicat (SiF62-) umgewandelt, welches sich negativ auf den Ätzabtrag, die Reaktivität der Ätzlösung und die Oberflächeneigenschaften der Wafer auswirkt. Möglichkeiten, das Silicium als SiF62- abzutrennen, sollten in dieser Arbeit untersucht werden. Voraussetzung für Abtrennungsuntersuchungen war eine quantitative Bestimmung des SiF62- in Ätzlösungen mittels Ramanspektrometrie. Als Abreicherungs-möglichkeiten des Siliciums in Form von Hexafluorosilicat wurden einerseits das Ausfrieren als Hydrat der Hexafluorokieselsäure (H2SiF6•nH2O) und andererseits die Fällung als K2SiF6 untersucht. Die experimentellen Ergebnisse wurden jeweils gestützt durch thermodynamische Modellierungen: die Tieftemperaturphasendiagramme wurden durch eine modifizierte BET-Modellierung bestätigt, die Löslichkeiten durch Nutzung des SIT-Ansatzes. Demnach erwies sich die Ausfällung als K2SiF6 als ökonomisch günstigste Variante.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Problemstellung 2 Auswertung der Literatur 2.1 Chemie des Siliciums in HF/HNO3-Ätzlösungen 2.1.1 Allgemeine Betrachtungen zum Ätzvorgang 2.1.2 Rolle des H2SiF6 bzw. SiF62- beim Ätzen 2.2 Speziation des Siliciums in fluoridhaltigen Lösungen 2.2.1 Schwingungsspektroskopie 2.2.2 Kernresonanzspektroskopie 2.2.3 Gleichgewichtskonstanten 2.3 Phasendiagramme im System HF-H2SiF6-HNO3-H2O bei tiefen Temperaturen 2.3.1 Binäre Systeme 2.3.2 Ternäre und höhere Systeme 2.3.3 Thermodynamische Modellierung konzentrierter Elektrolytlösungen mittels modifiziertem BET-Modell 2.4 Charakteristik kristalliner Hexafluorosilicate 2.4.1 Allgemein 2.4.2 Eigenschaften des K2SiF6 2.4.3 Struktur des K2SiF6 2.4.4 Thermisches Verhalten von K2SiF6 2.5 Thermodynamische Modellierung von Löslichkeiten 2.5.1 Specific Ion Interaction Theory 2.5.2 Pitzer-Modell 2.5.3 Modellierung nach Pitzer- Simonson- Clegg 2.5.4 (e)PC-SAFT EOS 2.5.5 Zusammenfassender Vergleich der Modelle 2.5.6 Vorliegende Daten als Grundlage einer Modellierung 2.5.7 Wahl eines geeigneten Löslichkeitsmodells 3 Experimentelle Untersuchungen zur Ramanspektroskopie wässriger Fluorosilicatlösungen 3.1 Messbedingungen und Messküvetten 3.2 Spektren im System HF-H2SiF6-HNO3-H2O 3.3 Quantitative Bestimmung von SiF62- und HNO3 4 Phasendiagramme im System HF-H2SiF6-HNO3-H2O bei tiefen Temperaturen (<273 K) 4.1 Versuchsaufbau zur thermischen Analyse 4.2 Durchführung und Auswertung von Temperatur-Zeit-Kurven am Beispiel des binären Systems HF-H2O 4.3 Ergebnisse 4.3.1 Binäre Systeme 4.3.2 Ternäre Systeme 4.3.3 Quaternäres System 4.4 Modellierung der Phasendiagramme mit dem BET-Modell 5 Löslichkeit von K2SiF6 in Ätzlösungen 5.1 Methodik und Analysentechniken 5.2 Ergebnisse in Lösungen des Systems HF-H2SiF6-HNO3-H2O-K2SiF6 5.3 K2SiF6-Löslichkeit in KF- bzw. KNO3-haltigen wässrigen Lösungen 5.3.1 Löslichkeitskurven 5.3.2 Struktur und Eigenschaften des K2SiF6∙KNO3-Doppelsalzes 5.4 Quantitative Beschreibung der Löslichkeit von K2SiF6 in HF-H2SiF6-HNO3-H2O 6 Beurteilung der Trennverfahren 7 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbole und Abkürzungen Anhang Eidesstattliche Versicherung Danksagung

Die ternären Systeme Ti/P/Te, Ce/P/Te und Si/P/Te wurden in der vorliegenden Dissertation hinsichtlich der Existenz neuer Verbindungen untersucht. Diese Verbindungen wurden insbesondere in Bezug auf ihre thermochemischen Eigenschaften charakterisiert. Durch Kombination von experimentellen Untersuchungen und thermodynamischen Modellierungen der ablaufenden Festkörper-Gasphasen-Gleichgewichte konnten die Synthesen der neuen Verbindungen optimiert werden. Abschließend erfolgte zudem die physikalische und kristallographische Charakterisierung der gefundenen Phosphidtelluride.

The Arlanda area is a construction intensive area facing problems with risk of leaching of arsenic (As) from the bedrock to surface- and groundwater. Construction projects in the area have had problems with high levels of As in the bedrock and the risk of leaching increases through processing of aggregates and blasting of the bedrock. Additionally, there are high concentrations of As in potable water and elevated concentrations are correlated with occurrences of metasedimentary rock, but may also be related to other rock types. The existing geological information of the area was collected in the 1960´s and modern petrographic information as well as modelling of P-T and redox conditions are needed to understand the As mineralogy of the bedrock. Methods used in this project include field work, optical microscopy, electron microprobe analyses, geothermometry calculations, pseudosection modelling in Perple_X and geochemical modelling in PHREEQC. The results indicate that the As-rich bedrock domain include rocks of both igneous and sedimentary origin. As-bearing minerals löllingite and arsenopyrite were found in the matrix of two of the metasedimentary rock samples, while no As-minerals were found in metavolcanic samples. P-T estimates from several geothermobarometry models all suggest amphibolite facies metamorphism for the area, with pressure of 3.0-5.5 kbar and temperature of 490-640 °C. Simple modelling of equilibration of löllingite and arsenopyrite in pure water indicate that As(III) is the dominating oxidation state of As and that the molality of As increases with increasing T and decreasing pH. The results of this thesis provide new information on the petrography and P-T conditions for metamorphism of As-bearingsupracrustal rocks in the Arlanda area, but future research is needed to be able to predict the spatial occurrence of As in the bedrock. / Arlandaområdet är ett av de mest expansiva områdena i Sverige där en stor mängd infrastrukturprojekt är planerade under de närmaste 5-20 åren. Tidigare byggnadsprojekt i området har dock stött på problem med höga bakgrundshalter av arsenik (As) i berggrunden och det finns även en risk för urlakning av As från berggrunden till både yt-och grundvatten. Denna risk ökar under byggnadsarbeten i och med till exempel sprängning av berg. Ytterligare ett problem är att det i området runtomkring Arlanda ofta är höga halter av arsenik i dricksvattenbrunnar. Från data över As-halter i bergborrade brunnar har man kunnat se att höga halter av As ofta förekommer i metasedimentära bergarter, men även kan uppträda i andra bergarter. Den tillgängliga geologiska informationen över området är insamlad på 60-talet och ny petrografisk information, samt modellering av tryck- och temperaturförhållanden är nödvändig för att förstå förekomst av As i berggrunden. Målet med detta projekt är att med hjälp av fältarbete, optisk- och elektronmikroskopering, samt termodynamisk modellering få djupare kunskap kring ytbergarterna i området och utvärdera förekomsten av arsenik i dessa. Under vilka tryck- och temperaturförhållanden som de metamorfa bergarterna omvandlats studeras genom beräkningar från mineralsammansättningar samt modellering i programmet Perple_X. Resultatet från projektet visar att bergarter i As-anrikade zoner är av både magmatiskt och sedimentärt ursprung. Arsenikmineralen löllingit och arsenikkis dokumenterades endast i bergarter av sedimentärt ursprung. Bergarternas kemiska sammansättning tyder också på att de högsta As-halterna finns i de metasedimentära bergarterna. Modellering i PHREEQC visar att As(III) är den dominerande formen av As när löllingit och arsenikkis reagerar med vatten. Tryck- och temperaturberäkningar samt tryck- och termodynamisk modellering tyder på metamorfos under amfibolitfacies, med tryck omkring 3.0-5.5 kbar och temperatur omkring 490-640 °C. Resultaten från detta projekt ger ny information om de metamorfa bergarterna i Arlanda området och förekomst av As i dessa. Vidare studier är nödvändiga för att kunnaförutse i vilken form och i vilka bergarter As förekommer.