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Fabrication of porous metal oxides for catalytic application using templating techniques

Herstellung poröser Metalloxide für katalytische Anwendungen unter Verwendung von Templatierungsverfahren

  • Nanostructured materials are the materials having structural features on the scale of nanometers i.e. 10-9 m. the structural features can enhance the natural properties of the materials or induce additional properties, which are useful for day to technology as well as the future technologies One way to synthesize nanostructured materials is using templating techniques. The templating process involves use of a certain “mould” or “scaffold” to generate the structure. The mould is called as the template, can be a single molecule or assembly of molecule or a larger object, which has its own structure. The product material can be obtained by filling the space around the template with a “precursor”, transformation of precursor into the desired material and then removal of template to get product. The precursor can be any chemical moiety that can be easily transformed in to the desired material. Alternatively the desired material is processed into very tiny bricks or “nano building blocksNanostructured materials are the materials having structural features on the scale of nanometers i.e. 10-9 m. the structural features can enhance the natural properties of the materials or induce additional properties, which are useful for day to technology as well as the future technologies One way to synthesize nanostructured materials is using templating techniques. The templating process involves use of a certain “mould” or “scaffold” to generate the structure. The mould is called as the template, can be a single molecule or assembly of molecule or a larger object, which has its own structure. The product material can be obtained by filling the space around the template with a “precursor”, transformation of precursor into the desired material and then removal of template to get product. The precursor can be any chemical moiety that can be easily transformed in to the desired material. Alternatively the desired material is processed into very tiny bricks or “nano building blocks (NBB)” and the product is obtained by arrangement of the NBB by using a scaffold. We synthesized porous metal oxide spheres of namely TiO2-M2O3: titanium dioxide- M-oxide (M = aluminum, gallium and indium) TiO2-M2O3 and cerium oxide-zirconium oxide solid solution. We used porous polymeric beads as templates. These beads used for chromatographic purposes. For the synthesis of TiO2-M2O3 we used metal- alkoxides as precursor. The pore of beads were filled with precursor and then reacted with water to give transformation of the precursor to amorphous oxide network. The network is crystallized and template is removed by heat treatment at high temperatures. In a similar way we obtained porous spheres of CexZr1-xO2. For this we synthesized nanoparticle of CexZr1-xO2 and used then for the templating process to obtain porous CexZr1-xO2 spheres. Additionally, using the same nanoparticles we synthesized nano-porous powder using self-assembly process between a block-copolymers scaffold and nanoparticles. Morphological and physico-chemical properties of these materials were studies systematically by using various analytical techniques TiO2-M2O3 material were tested for photocatalytic degradation of 2-Chlorophenol a poisonous pollutant. While CexZr1-xO2 spheres were tested for methanol steam reforming reaction to generate hydrogen, which is a fuel for future generation power sources like fuel cells. All the materials showed good catalytic performance.show moreshow less
  • Nanostrukturierte Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus sehr kleinen Baueinheiten zusammengesetzt sind. Typischerweise liegt die Grössenordnung dieser Bausteine im Bereich von einigen Nanometern. Ein Nanometer entspricht 10-9 Meter. Dadurch bekommen nanostrukturierte Materialien oft verbesserte, vielfach sogar ganz neue Eigenschaften, die für viele heutige wie auch zukünftige Anwendungen von Vorteil sind. Ein Weg, um solche nanostrukturierte Materialien herzustellen, ist die sogenannte „Templatierungsmethode“. Das Templat besteht aus einem einzelnen Molekül, einer Ansammlung von Molekülen oder aus einem festen Objekt. Beim Aufbau des nanostrukturierten Materials wirkt das Templat als Schablone oder als Gussform und beeinflusst damit die Struktur des Endproduktes. Normalerweise besteht dieser Prozess aus mehreren Schritten. Zuerst wird der Raum um das Templat mit dem Ausgangsstoff umhüllt oder ausgefüllt, dann wird der Ausgangsstoff chemisch in das gewünschte Endprodukt umgewandelt, wobei das Templat dieNanostrukturierte Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus sehr kleinen Baueinheiten zusammengesetzt sind. Typischerweise liegt die Grössenordnung dieser Bausteine im Bereich von einigen Nanometern. Ein Nanometer entspricht 10-9 Meter. Dadurch bekommen nanostrukturierte Materialien oft verbesserte, vielfach sogar ganz neue Eigenschaften, die für viele heutige wie auch zukünftige Anwendungen von Vorteil sind. Ein Weg, um solche nanostrukturierte Materialien herzustellen, ist die sogenannte „Templatierungsmethode“. Das Templat besteht aus einem einzelnen Molekül, einer Ansammlung von Molekülen oder aus einem festen Objekt. Beim Aufbau des nanostrukturierten Materials wirkt das Templat als Schablone oder als Gussform und beeinflusst damit die Struktur des Endproduktes. Normalerweise besteht dieser Prozess aus mehreren Schritten. Zuerst wird der Raum um das Templat mit dem Ausgangsstoff umhüllt oder ausgefüllt, dann wird der Ausgangsstoff chemisch in das gewünschte Endprodukt umgewandelt, wobei das Templat die Endform kontrolliert und am Schluss wird das Templat entfernt. Das geschieht meistens durch Erhitzen. Als Ausgangsstoff können dabei einzelne Moleküle verwendet werden, die sich leicht in das Endprodukt umwandeln lassen, oder aber vorgeformte Partikelchen, die nur noch zur entsprechenden Form angeordnet werden müssen. In dieser Arbeit wurden poröse Metalloxid-Kügelchen hergestellt, die aus einem Gemisch aus Titanoxid und entweder Aluminium-, Gallium- oder Indiumoxid bestehen. Als Template wurden poröse Kunststoffkügelchen eingesetzt, die man sonst für Chromatographiezwecke braucht. Bei der Synthese wurden die Poren der Kunststoffkügelchen mit dem Ausgangsmaterial gefüllt und mit Wasser in ein amorphes Netzwerk umgewandelt. Danach werden die Kügelchen erhitzt, wobei das Kunststofftemplat zersetzt wird. Gleichzeitig wird das amorphe Gerüst in stabile, kristalline Wände umgewandelt, die die Form der Kügelchen auch dann noch behalten, wenn das Templat verschwunden ist. Mit einem ähnlichen Prozess wurden auch Kügelchen aus Cer-Zirkonoxid erhalten. Als Ausgangsstoff wurden dabei aber vorgeformte Cer-Zirkonoxid-Nanopartikel eingesetzt, die in die Poren der Kunststofftemplatkügelchen hinein diffundieren. Diese Cer-Zirkonoxid-Nanopartikel lassen sich auch für die Herstellung von porösen Pulvern verwenden, wobei dann nicht Polymerkügelchen, sondern hochgeordnete Ansammlungen von Block Copolymeren als Template verwendet werden. Form, Struktur und Eigenschaften all dieser Materialien wurden systematisch unter Anwendung verschiedenster Analysemethoden untersucht. Die auf Titanoxid-basierten Kügelchen wurden auch auf ihre photokatalytische Verwendung zum Abbau von umweltschädlichem 2-Chlorophenol untersucht. Die Cer-Zirkonoxid-Kügelchen wurden für die Herstellung von Wasserstoff aus Methanol getestet. Wasserstoff gilt als hoffungsvoller, sauberer Energieträger der Zukunft und kommt in Brennstoffzellen zum Einsatz.show moreshow less

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Metadaten
Author:Atul Suresh DeshpandeORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0001324
Advisor:Peter Strauch, Rachel A. Caruso, Markus Antonietti
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2004
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2004/06/30
Release Date:2005/02/10
Tag:catalytic application; metal oxides; porous materials
RVK - Regensburg Classification:VN 5070
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften