Elektronen-Spin-Resonanz (ESR)-Spektroskopie an Kohlenstoffnanopartikeln

  • Ort: CS

    Hintergrund & Motivation. 

    Unter der Vielfalt von Nanopartikeln bilden Kohlenstoffnanopartikeln (CNP) eine besondere Klasse mit einem Aufkommen in der Größenordnung von Megatonnen pro Jahr und weiter Verbreitung z.B. als Pigmente, als Träger von Katalysatoren oder Quantendots, als Elektrokeramiken in Gassensoren oder Batteriematerialien, als Vermittler von Dispersionskräften, um nur einige Beispiele anzuführen. CNP werden in Flammen kohlenstoffhaltiger Brennstoffe synthetisiert, treten allerdings auch ungewollt als Schadstoffe beispielsweise in Schadensfeuern, Energieumwandlungsprozessen und verbrennungsbasierten Antrieben auf.

    Bei CNP wird der mikro- und nanostrukturelle Aufbau unterschieden. Die Mikrostruktur beschreibt die Größenverteilungen von Primärpartikeln und der aus ihnen aufgebauten Aggregate. Die Nanostruktur beschreibt hingegen den molekularen Aufbau der Partikeln, die aus zusammengelagerten, komplexen aromatischen Ringstrukturen, also Graphen-ähnlichen Schichten aufgebaut sind. Beide Strukturebenen definieren unterschiedliche CNP Eigenschaften. Während die Absorption von Licht (Pigmente für Toner, Füllstoffe,…) oder der Elektronentransport von der Ausdehnung und der Anzahl an Defektstellen der Graphen-ähnlichen Grundbausteine abhängig ist, werden die Rolleigenschaften von Fahrzeugreifen beispielsweise durch mechanische Verzahnung und London’sche Dispersionskräfte der Aggregate bestimmter Größe sowie die fraktale Geometrie beeinflusst.

     

    Aufgabenstellung.

    Radikale zeichnen sich durch ungepaarte Elektronen aus und damit durch einen Spin, der wiederum mit einem magnetischen Moment verbunden ist. Werden die CNP nun Mikrowellenstrahlung ausgesetzt, deren Quantenenergie der Zeeman-Aufspaltung entspricht, tritt eine resonante Absorption auf. Somit lassen sich mithilfe der Elektronen-Spin-Resonanz (ESR)-Spektroskopie Radikale nachweisen und charakterisieren. Die ausgeschriebene Arbeit beschäftigt sich genau mit dieser Radikalkonfiguration, die via ESR-Spektroskopie an unterschiedlichen CNP analysiert werden soll. Elementarer Bestandteil der Arbeit ist die Auswertung und Interpretation der Absorptionsspektren. Details der ESR-Spektren sollen abschließend mit nano- und mikrostrukturellen Partikeleigenschaften sowie der Reaktivität der Teilchen korreliert werden.

     

    Aufgabensteller: Prof. Dr.-Ing. Henning Bockhorn