Size-selective synthesis of nanometer-sized Palladium clusters and their hydrogen solvation behaviour
Größen-selektive Herstellung von Nanometer-großen Palladium-Clustern und ihr Verhalten bei Wasserstoff-Beladung
by Mohammed A. M. Shtaya-Suleiman
Date of Examination:2003-07-25
Date of issue:2004-04-07
Advisor:Prof. Dr. Reiner Kirchheim
Referee:Prof. Dr. Hans Christian Hofsäss
Referee:PD Dr. Petra Reinke
Referee:Prof. Dr. Götz Eckold
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
Nanometer-sized palladium clusters were prepared and studied in this work; First, different cluster sizes were prepared using an electrochemical technique. Second, the interaction of the Pd-clusters with hydrogen was studied from both kinetic and thermodynamic point of view.The experimental results on the electrochemical preparations of Pd clusters show that different cluster sizes (2-6 nm) with narrow size distributions can be prepared. The clusters are prepared in a simple two-electrode cell in which tetraoctylammonium bromide is used as electrolyte and stabiliser. The obtained cluster sizes depend on the preparation parameters, such as: current density, temperature, type of solvent and distance between the electrodes. Using XRD and TEM analysis show a narrow size distribution (± 0.5 nm). The cluster size evaluated from the XRD data is generally affected by the variety of the structures and the size dependent nature of the diffraction pattern. It is shown that a Fourier transform of the XRD pattern gives a fairly accurate value of the cluster size. HREM analysis revealed that the structure of the Pd clusters is size dependent: small clusters have icosahedral structure while larger ones are cubic. This will also be confirmed by comparing the XRD pattern of the prepared clusters with the XRD pattern obtained from MD-simulation for model Pd clusters in cubic and icosahedral lattice structure.The interaction of hydrogen with palladium clusters was studied by in-situ XRD during hydrogen loading-unloading and by performing gravimetric measurements. Pressure-concentration isotherms (P-x-T) obtained by gravimetric measurements and pressure-lattice parameter isotherms obtained by in-situ XRD during hydrogen loading will be presented. The absorption isotherms resemble those for bulk palladium above the critical temperature showing a sloped plateau. However, the desorption isotherms show the existence of a hysteresis even in the smallest (3.0 nm) clusters indicting a phase transition. Structural information obtained by in-situ XRD measurements during hydrogen loading will be presented. The large Pd clusters show the (α-α´) phase transition common for bulk Pd, whereas smaller clusters show another type of phase transition. The effect of the cluster size, the structure as well as the cluster stabiliser will be discussed.
Keywords: Clusters; Hydrogen; Phase transition; Solubility; Isotherms; Synchrotron radiation; transmission electron microscopy; x-ray diffraction
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Untersuchung Nanometer- großer Palladium- Cluster. Zunächst wurden mit Hilfe der elektrolytischen Abscheidung Cluster unterschiedlicher Größe hergestellt. Dann wurde das Verhalten der Cluster bei der Beladung mit Wasserstoff unter kinetischen und thermodynamischen Gesichtspunkten analysiert.Die experimentellen Ergebnisse der elektrochemischen Präparation von Pd- Clustern zeigen, dass es möglich ist, Pd- Cluster größenselektiv (2 - 6 nm) mit einer schmalen Größenverteilung (0.5 nm) zu präparieren. Dazu werden die Cluster in einer einfachen Zwei- Elektroden- Zelle hergestellt, in welcher Tetraoctylammonium- Bromid als Elektrolyt und Stabilisator fungiert. Die Clustergröße wird durch die Herstellungsparameter bestimmt; sie ist durch die Wahl des Lösungsmittels, der Temperatur, der Stromdichte und des Elektrodenabstands während der Elektrolyse einstellbar.Die Bestimmung der Clustergröße erfolgt unter Nutzung zweier Methoden, Transmissionselektronenmikrsokopie (TEM) und Röntgendiffraktometrie (XRD). Die aus den XRD- Daten abgeleitete Clustergröße wird dabei durch die Vielzahl der Strukturen und die Größenabhängigkeit der Röntgen- Diffraktogramme beeinflusst. Es wird jedoch gezeigt, dass eine Fouriertransformation der experimentell gewonnenen Diffraktogramme eine Möglichkeit darstellt, die Clustergröße unabhängig von der Clusterstruktur zu ermitteln.HREM-Untersuchungen zeigen, dass die Struktur von Pd-Clustern größenabhängig ist. Kleine Cluster besitzen eine ikosahedrische Struktur, während größere Cluster kubisch sind. Diese Abhängigkeit wird durch den Vergleich der XRD-Bilder der präparierten Cluster mit Diffraktogrammen bekräftigt, die durch MD-Simulationen für Modellsysteme kubischer und ikosahedrischer Pd- Cluster berechnet wurden.Die Wechselwirkung des Wasserstoffs mit Pd- Clustern wurde durch in-situ XRD- und gravimetrische Messungen während der Beladungs- und Entladungszyklen untersucht. Es werden aus den gravimetrischen Messungen erhalten Druck-Konzentrations-Isothermen sowie aus den XRD- Messungen gewonnene Druck- Gitterparameter- Isothermen dargestellt.Die Absorptions- Isothermen ähneln denen für massives Palladium oberhalb der kritischen Temperatur, mit einer veränderten Steigung in mittleren Konzentrationsbereichen. Die Desorptions-Isothermen zeigen hingegen das Auftreten einer Hysterese, wie sie in massiven M-H-Systemen nur bei Phasenumwandlungen beobachtet wird. Daher kann die Hysterese hier als Hinweis auf eine Phasenumwandlung gewertet werden.Die aus den in-situ XRD- Messungen während der Wasserstoff- Be- und Entladungszyklen gewonnenen strukturellen Informationen werden dargestellt. Die großen Pd-Cluster zeigen dabei den (α-α´) Phasenübergang, der für massive Systeme üblich ist. Kleinere Cluster zeigen hingegen eine andere Art des Phasenübergangs. Hier wird der Einfluss der Clustergröße, der Struktur sowie des Stabilisators diskutiert.
Schlagwörter: Cluster; Wasserstoff; Phasenunwandlung; Löslichkeit; Isothermen; Synchrotron Strahlung; Transmissionselektronenmikroskopie; Röntgendiffraktometrie; 530 Physik