Deposition of flame-made nanoparticles on porous media

Tobias Dokkedal Elmøe

Research output: Book/ReportPh.D. thesis

160 Downloads (Pure)

Abstract

Deposition of flame-made nanoparticles on porous media Nanopartikler i porøse keramiske materialer har en lang række anvendelsesmuligheder, som f.eks. gas-sensorer, katalysatorer, brændselscelle anoder samt dieselsodfiltre. En hurtig metode til dannelsen af disse er ved direkte deponering. Her afsættes partiklerne direkte på en substratoverflade og en partikelkage opbygges. I dette arbejde er den direkte deponering ved filtrering af flammedannede partikler blevet studeret. Særlig vægt er lagt på karakteriseringen og stabiliseringen af partikellagene, eftersom enhver praktisk anvendelse af disse er direkte forbundet til morfologien og den mekaniske stabilitet. Yderligere er forståelsen af, hvordan morfologien kan påvirkes under filtreringsprocessen blevet studeret i en ny modelleringstilgang ved anvendelsen af Langevin dynamik (LD). Partikelkagerne blev deponeret på porøse -alumina substrater og bestod af flammedannede agglomerede Al2O3 partikler med en gennemsnitlig agglomeratstørrelse på 27.9 nm. De var højporøse (> 94 - 98 % porøsitet) og havde derfor en høj kapillærstørrelse mellem 160 - 227 nm. De netop deponerede lag var mekanisk svage, og kondensation af cyklohexan dampe ødelagde dem. Dette skyldtes, at de tilsvarende kapillærkræfter var størreselsesordner højere end de svage Van der Waalske kræfter, der holdt partiklerne sammen, hvilket fik laget til at kollapse. Ved sintring til 700 oC dannedes sinteringhalse og således blev den mekaniske stabiltet forøget. Dog dannedes der samtidigt med sintringen ved for højt temperatur mikrosprækker i lagene. Endeligt blev deponeringen af monodisperse nanopartikler ved filtrering simuleret med Langevin dynamik og overgangen mellem de to asymptotiske (og analytiske) løsninger for hhv. små og store tider (kapillærdeponering og kagefiltrering) blev studeret. Morfologien af de deponerede lag blev karakteriseret som funktion af Peclet tallet (Pe), der angiver forholdet mellem diffusiv og konvektiv transport. For samtlige Pe tal sås tilstopning at ske udenfor substratkapillæret, hvilket var i god overensstemmelse med eksperimentelle SEM observationer. Derudover svarede de beregnede lagporøsiteter glimrende overens med de eksperimentelt observerede (95 % hhv. 94 – 98 %.) På basis af dette arbejde blev mulige nye anvendelser diskuteret, f. eks. indenfor partikelfiltre for dieseldrevne biler. En anden ny anvendelsesmulighed af filtreringsmetoden er at direkte belægge nanopartikler i kapillærerne på porøse substrater.
Original languageEnglish
Number of pages196
Publication statusPublished - Aug 2008

Cite this