Dokument: Synthese von Nickel- und Nickel/Gallium-Nanopartikeln in ionischen Flüssigkeiten - Anwendung in Katalyse und Gas-Messungen
| Titel: | Synthese von Nickel- und Nickel/Gallium-Nanopartikeln in ionischen Flüssigkeiten - Anwendung in Katalyse und Gas-Messungen | |||||||
| Weiterer Titel: | synthesis of nickel and nickel/gallium nanoparticles in ionic liquids - application in catalysis and gas sensing | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=58356 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20211220-082908-2 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Simon, Ilka [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Janiak, Christoph [Gutachter] Prof. Dr. Ganter, Christian [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | Die vorliegende Arbeit berichtet über die Synthese von Nickel- und Nickel/Gallium-Nanopartikeln in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten und deren Anwendung als Katalysator oder Material mit Gas-Sensor-Eigenschaften.
Nickel-Nanopartikel konnten auf thermisch reduzierten Graphenoxiden (rGO) in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-methylimidazolium Bis(trifluormethylsulfonyl)imid [BMIm][NTf2] durch Mikrowellen-Heizung erhalten werden. Ni@rGO mit dem Polymer Poly(3,4 Ethylendioxythiophen):Poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) als Bindemittel fungierte als elektrischer Sensor (mit den angegebenen Konzentrationen) für das oxidierende Gas NO2 (10 ppm in Luft), das reduzierende Gas CO (3000 ppm in N2) und die flüchtige organische Verbindung Aceton (35000 ppm in Luft). Die Ergebnisse der verschiedenen Gase wurden bei unterschiedlichen Temperaturen verglichen, wobei die besten Ergebnisse für NO2 bei 200 °C erzielt wurden. Darüber hinaus wird für NO2-Gas gezeigt, dass das Ni@rGO-PEDOT:PSS-Polymer-Komposit bessere Ergebnisse liefert als das Nickel-freie rGO-PEDOT:PSS-Material. Nach der Wärmebehandlung wurde der Oxidationszustand der reinen Nickel(0)-Nanopartikel durch Röntgen-Pulverbeugung bestätigt. Ni@rGO-Nanokomposite konnten außerdem für die Herstellung von WO3-Gas- und Dampfsensorelementen mit verbesserten Sensorantworten eingesetzt werden. Damit wurde zum ersten Mal über die Kombination von WO3-Sensorelementen mit einem Nicht-Edelmetall-Kohlenstoff-Komposit berichtet. Der Zusatz von sehr geringen Mengen Ni@rGO (0.35 Gew.-%) zu WO3 erhöhte die Sensorantwort gegenüber NO2-Spuren in Luft, im Vergleich zu klassisch eingesetzten WO3-Elementen ohne den Zusatz von Metallen und Graphenoxid. Geringe Konzentrationen von Aceton (3500 ppm) wurden durch Ni@rGO/WO3-Komposite besser detektiert als höhere Konzentrationen von 35000 ppm. Für CO-Gas ergibt sich eine Antwortzeit von Tres ≈ 7 Minuten und eine Erholungszeit von Trec ≈ 2 Minuten. Die leichte Herstellung des Komposit-Materials Ni@rGO ebnet deren Weg zur Anwendung als Dotierungsreagenz in anderen Metalloxid-Gas-Sensoren. Für die Synthese von Ni/Ga-Nanopartikeln in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten wurden der Einfluss der Dispersionszeit vor der thermischen Zersetzung und die Zersetzungszeit im Mikrowellenreaktor auf die Phasenreinheit und Kristallinität der Nanopartikel untersucht. Nach 24 Stunden Dispersionszeit der Präkursoren Bis(1,5 cyclooctadien)nickel(0) (Ni(COD)2) und Pentamethylcyclopentadienylgallium (GaCp*) in der ionischen Flüssigkeit [BMIm][NTf2] wurden durch 30 Minuten Mikrowellen-Heizung phasenreine kristalline NiGa-Nanopartikel mit einer Größe von 5 ± 1 nm erhalten. Dispersionszeiten von 1 oder 12 Stunden vor der Zersetzung führt zur Bildung von Ga(Ni)-Nanopartikeln als Nebenprodukt. Die Zersetzung von GaCp* in [BMIm][NTf2] liefert Ga2O3 dotierten Gallium-Partikeln. In einer Vergleichsstudie zur katalytischen Semihydrierung des internen Alkins 1-Oktin zwischen phasenreinen NiGa-Nanopartikeln in der ionischen Flüssigkeit NiGa@[BMIm][NTf2], und ausgefällten NiGa-Nanopartikeln unter lösemittelfreien Bedingungen konnte gezeigt werden, dass eine Selektivität zum E 4 Okten in beiden Fällen über mehrere Zyklen bei 100 % liegt. Nach dem Entfernen der ionischen Flüssigkeit erreichten ausgefällte NiGa Nanopartikel einen erhöhten Umsatz von 90 % über drei Zyklen. Die Eignung als Katalysator für die selektive Semihydrierung zum reinen E-Alken konnte dadurch für die NiGa-Nanopartikel bestätigt werden.This work reports from the synthesis of nickel and nickel/gallium nanoparticles in different ionic liquids and their application as gas sensing material or catalyst. Nickel nanoparticles supported on thermally reduced graphene oxide (rGO) were obtained in the ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluormethylsulfonyl)imide [BMIm][NTf2] through microwave heating. Ni@rGO with the polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) as binding agent act as an electrical sensor (with the indicated concentration) for the oxidizing gas nitrogen dioxide (10 ppm in air), the reducing gas carbon monoxide (3,000 ppm in N2) and the volatile organic compound acetone (35,000 ppm in air). The results from the different gases were compared at different temperatures, where the best results were found for NO2 at 200 °C. In addition for NO2 gas, Ni@rGO-PEDOT:PSS polymer composite gives better results than the nickelfree rGO-PEDOT:PSS material. After the heat treatment the oxidationstate of the pure nickel(0) nanoparticles were confirmed with x-ray powder diffraction. Ni@rGO nanocomposites were also used in the preparation of WO3 gas and vapor sensor elements with improved sensory responses. This was the first report of the combination of WO3 sensor elements with a non-noble metal carbon composite. Earlier reports with WO3 use either NiO (as part of the WO3 lattice) or pure carbon or Pd-surface decorated WO3 (Pd@WO3) or Pd or Pt@carbon@WO3. The addition of a very small amount of Ni@rGO (0.35 wt %) to WO3 increases the gas response regarding NO2 traces in air significantly compared to the WO3 element without the addition of metal and graphene oxide by 1.6 times for NO2 vapor. Low concentrations of acetone (3500 ppm) were 1. 5 times better detected by the Ni@rGO/WO3 composite than the higher concentration of 35,000 ppm. For CO gas, the response time and the recovery time were Tres ≈ 7 min and Trec ≈ 2 min, respectively. The facile preparation of composite material nickel nanoparticles supported on reduced graphene oxide paves the way for their application as dopant in other metal oxide gas sensors. The influence of the dispersion time before the thermal decomposition and die overall decomposition time in the microwave reactor on the crystallinity and phase purity of nickel/gallium nanoparticles was investigated in different ionic liquids. After 24 h of dispersion of all-hydrocarbon precursors bis(1,5-cyclooctadiene) nickel(0) (Ni(COD)2) and pentamethylcyclopentadienyl gallium (GaCp*) in the ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluormethylsulfonyl)imide [BMIm][NTf2], microwave-induced co-decomposition yielded phase-pure NiGa nanoparticles of 5 ± 1 nm. In order to gain crystalline NiGa nanoparticles, 30 min of microwave-induced decomposition were found to be required. With dispersion times of 1 or 12 h before the microwave-induced decomposition, Ga(Ni) nanoparticles were formed as a by-product to NiGa nanoparticles. To complete this investigation, GaCp* was successfully decomposed in [BMIm][NTf2] to Ga2O3-doped Ga particles with a size of 350 ± 100 nm. The formation of core–shell particles can be ruled out by high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) with energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) measurements. Phase-pure NiGa nanoparticles were tested in the semihydrogenation of an internal alkyne. A comparison study between NiGa nanoparticles in ionic liquid, NiGa@[BMIm][NTf2], and precipitated NiGa nanoparticles under solventless conditions was performed. NiGa@[BMIm][NTf2] catalyzed the hydrogenation of the internal alkyne 4-octyne with 100 % selectivity towards E-4-octene over 5 runs, but with poor conversions. After the removal of the ionic liquid, precipitated NiGa nanoparticles achieved an increased conversion higher than 90% over 3 runs. The selectivities towards the E-4-octene still reached 100%. The properties of NiGa nanoparticles, to act as selective catalyst for semihydrogenation towards an E-alkene was thereby successfully confirmed. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Anorganische Chemie und Strukturchemie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 20.12.2021 | |||||||
| Dateien geändert am: | 20.12.2021 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 16.09.2021 | |||||||
| Datum der Promotion: | 13.12.2021 |
