Technische Universität Bergakademie Freiberg: Qucosa
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Spatio-temporal dynamics of fluids and tissues: discrete versus continuous modeling
Get PDFUm das Verständnis für physikalische und biologische Dynamiken zu verbessern, werden oft stellvertretend mathematische Modelle entwickelt, implementiert,validiert und analysiert. Die Entscheidung für oder gegen einen bestimmten Modelltyp, zum Beispiel ob die Auflösung in Raum und Zeit diskret oder kontinuierlich definiert ist, kann erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse haben. Insbesondere bei der Untersuchung und Simulation der Dynamiken von biologischen Zellen, die häufig auch als biologische Flüssigkeiten (Biofluids) bezeichnet und in der Literatur oft mit physikalischen Flüssigkeiten verglichen werden, ist die Wahl des geeigneten Modelltyps nicht immer trivial. In diesem Zusammenhang stellt die vorliegende Arbeit drei verschiedene Szenarien vor. Unter Zuhilfenahme von unterschiedlichen mathematischen Modellen werden diese Szenarien dann untersucht. Dabei wird deutlich, dass trotz des ähnlichen Kontextes von physikalischen und biologischen Dynamiken je Szenario unterschiedliche Modelltypen besser geeignet sind und mitunter verschiedene Aussagen liefern. Daher muss für jedes dieser Szenarien die Entscheidung, welches Modell genommen wird und ob dieses in Raum und Zeit diskret oder kontinuierlich ist, neu evaluiert werden. Das erste Szenario befasst sich mit einer rein physikalischen Dynamik und beschreibt das Aufsteigen einer runden
Flüssigkeitsblase innerhalb einer anderen Flüssigkeit. In diesem Zusammenhang wird auch häufig von zwei Phasen gesprochen. Dieser Fall dient auch als numerischer Benchmark-Test zur Bewertung der Genauigkeit von Zwei-Phasen-Modellen. Innerhalb dieses Kontextes werden oft Modelle verwendet, die kontinuierlich in Bezug auf Ort und Zeit sind. In der vorliegenden Arbeit wird stellvertretend das Cahn-Hilliard-Navier-Stokes-Modell verwendet. Vor allem wird ein neuer einfacher Diskretisierungsansatz für dieses Modell vorgestellt. Unter Verwendung eines Standard-Benchmark-Tests wird gezeigt, dass die Genauigkeit vergleichbar zu bisherigen Methoden ist. Das zweite Szenario fokussiert sich auf eine biologische Dynamik und beschreibt das Wachstum eines Tumorsphäroiden und sein Verhalten bei der Behandlung mit Radiostrahlung. Tumorsphäroide sind spezielle 3D in-vitro Experimente, welche eine Ansammlung von mehreren tausend Zellen umfassen und Tumormikroumgebung und
Mikrometastasen nachempfinden. Durch ihre 3D Struktur zeigen sie Stoffwechselgradienten von Sauerstoff, Nährstoffen und Abfallprodukten. Die Modellierung solcher Sphäroide wird häufig mit zell- oder agentenbasierten Modellen beschrieben, die in Bezug auf Ort und Zeit meist diskret sind und das Zellverhalten regelbasiert beschreiben. In dieser Arbeit wird hierfür stellvertretend ein zellulärer Automat verwendet. Dieser dient später als Vergleichsmodell zu dem neu entwickelten und hier vorgestellten Ansatz: dem 1D Radial Shell Modell, welches im Ort diskret und in der Zeit kontinuierlich ist. Dieses ermöglicht weitere Erkenntnisse und Vorhersagen zum Wachstum der Sphäroide, insbesondere für die Dynamik bei kleinem Sphäroidvolumen. Im dritten Szenario wird ein Grenzfall zwischen den physikalischen und biologischen Flüssigkeiten beschrieben: Die Entmischungsdynamik von biologischen Zellen, welche oft in der Literatur mit der Entmischung von zwei physikalischen Flüssigkeiten, wie Wasser und Öl, verglichen wird. Daher werden die beiden zuvor vorgestellten Modelle, das kontinuierliche Cahn-Hilliard-Navier-Stokes-Modell und der diskrete zelluläre Automat, für diesen Sachverhalt simuliert und analysiert. Zudem werden beide Modelle miteinander und jeweils mit biologischen Experimenten verglichen, wobei aufgrund ihrer unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Auflösung verschiedene Vor- und Nachteile identifizierbar sind. Am Ende zeigt sich entgegen bisherigen Versuchen in der Literatur, dass die Anpassung der Modelle an die Experimentaldaten nicht ausschließlich durch das Skalierungsverhalten machbar ist, da die Zeitskalen in den Experimenten häufig zu kurz sind. Daher sollten zusätzliche Metriken, wie zum Beispiel der durchschnittliche Clusterdurchmesser
oder die Verteilung der Clustergrößen, beachtet werden.Enhancing the understanding of physical and biological dynamics is crucial, which is why assisting mathematical models are often developed, implemented, validated, and analyzed. The decision for or against a particular model type, for example, whether the resolution in space and time is defined discretely or continuously, can considerably influence the results. Especially when investigating and simulating the dynamics of biological cells, also referred to as biological fluids and in the literature often compared to physical fluids, choosing the appropriate model type is not trivial in every case. This work presents three scenarios, which are further examined with the help of various mathematical models. Despite the similar context, dynamics of physical and biological fluids, some model types are more suited and deliver different results for each scenario. Therefore, the decision should be made new, depending on the scenarios, which model type is optimal, discrete, or continuous in space and time. The first scenario describes pure physical dynamics by the rise of a round fluid bubble within another fluid, which is often referred to as two phases. This setup also serves as a numerical benchmark test to evaluate the accuracy of physical two-phase-models. Within this context, the models used are often continuous regarding space and time. In this work, the Cahn-Hilliard-Navier-Stokes-model is chosen as a representative example. In particular, a new discretization approach for the model is introduced and evaluated by the previous benchmark test, which showcases that the new, more
straightforward discretization approach leads to comparably precise results. The second scenario focuses on biological dynamics and describes the untreated growth of a tumor spheroid and further its behavior when exposed to \acl{rt}. These tumor spheroids are, in particular, 3D-assays of in-vitro experiments, which are 3D avascular aggregates of several thousand tumor cells mimicking tumor microareas or micrometastases. Due to their 3D structure, spheroids exhibit metabolic gradients of oxygen, nutrients, and waste products. These are usually simulated with cell or agent-based models, which are discrete in terms of space and time and describe the cell behavior in a rule-based manner. In this work, a cellular automaton is used as a representative. Later, this model will serve as a comparison for the new innovative approach presented here: the 1D Radial Shell model, which is space-discrete and time-continuous. This model allows further insights and predictions, for example, regarding the behavior of spheroids at small volumes, justifying the use of multiple model types. The third scenario can be seen as the in-between of physical and biological fluid dynamics: The segregation of biological cells of two distinct types, which is in the literature often referred to as similar or equal to that of two physical fluids, like oil and water. Therefore, this process is simulated and analyzed with the previously introduced continuous Cahn-Hilliard-Navier-Stokes and the discrete cellular automaton models. Thereby, both models are compared with each other and also individually with biological experiments. The comparison enables the identification of various advantages and disadvantages due to their different temporal and spatial resolution. In the end, it becomes clear that adapting the models to the experimental data is only partially feasible through the scaling behavior, as the time scale in the experiments is often too short, which stands in contrast to the current standard in the literature. Therefore, we emphasize that additional metrics should be considered, such as the average cluster diameter or cluster size distribution
Basis functions meet spatiospectral localization: studies in spherical coordinates
Get PDFIn the presented work, we study several basis systems satisfying certain spatial/spectral localization conditions on the unit sphere and the ball embedded in Euclidean space of dimension . For the spherical setup, we investigate some properties of the Hardy-Hodge decomposition for locally supported fields, and propose a multi-scale basis system that is suitable for modeling the Hardy components of such spherical vector fields and allows a simple mapping between the Hardy spaces.
In the case of the solid ball, we revisit the Slepian spatiospectral concentration problems for the spherical Fourier-Jacobi, spherical Fourier-Bessel, as well as the multivariate algebraic polynomial systems. We investigate the bimodal distribution phenomena of the eigenvalues of concentration operators and give an asymptotic characterization of the Shannon number for these setups, which lay a foundation for the utilization of associated Slepian bases and localized spectral analysis
Die Aluminiumbatterie: Herausforderungen für die industrielle Fertigung - ProBaSol: Teilprojekt: Umsetzung vorlaufend entwickelter Feststoffbatteriekonzepte auf Basis des hochvalenten Kations Aluminium: Schlussbericht
Get PDFDas Vorhaben verfolgt das Ziel der Implementierung einer neuartigen Technologie zur Fertigung elektrochemischer Energiespeicher als Alternative zu Li-basierten Batteriesystemen (LIB). Dabei soll es von den Ergebnissen eigener abgeschlossener bzw. aktuell laufender Verbundvorhaben profitieren und den systematischen Aufbau einschlägiger Kompetenzen im Sinne eines Transfers vervollständigen. Schwerpunktmäßig wird auf eine Festkörperbatterie für mobile hochvalente Ionen sowie die dazugehörige Fertigungstechnologie für Festkörperelektrolyte (FKE) und Elektroden, insbesondere mittels Kurzzeittempern mit Blitzlampen (engl. Flash Lamp Annealing – FLA) sowie Anodischem Oxidieren (AO) gesetzt. Wesentliche Vorteile sind die erzielbaren Energiedichten, die hohe Sicherheit, die umfassende Verfügbarkeit der Materialien sowie die Recyclierbarkeit der Systeme. Im Ergebnis soll neben einer detaillierten Komponente-Eigenschaft-Matrix (KEM) sowie Zellstudien, ein Prototyp in Einsatzumgebung als Voraussetzung für die industrielle Fertigung vorliegen. Die volumetrische Energiedichte kann potentiell doppelt bis viermal so hohe Werte im Vergleich zu kommerziellen LIB erreichen. Zudem ist ein Kostensenkungspotential von bis zu 20 % bezogen auf den Preis pro kWh gegeben. Das Erreichen der Ziele soll durch begleitendes Technologiemanagement und Systemanalyse unterstützt werden
Non-Coding RNA-Based Biosensors for Early Detection of Liver Cancer
Get PDFPrimary liver cancer is an aggressive, lethal malignancy that ranks as the fourth leading cause of cancer-related death worldwide. Its 5-year mortality rate is estimated to be more than 95%. This significant low survival rate is due to poor diagnosis, which can be referred to as the lack of sufficient and early-stage detection methods. Many liver cancer-associated non-coding RNAs (ncRNAs) have been extensively examined to serve as promising biomarkers for precise diagnostics, prognostics, and the evaluation of the therapeutic progress. For the simple, rapid, and selective ncRNA detection, various nanomaterial-enhanced biosensors have been developed based on electrochemical, optical, and electromechanical detection methods. This review presents ncRNAs as the potential biomarkers for the early-stage diagnosis of liver cancer. Moreover, a comprehensive overview of recent developments in nanobiosensors for liver cancer-related ncRNA detection is provided
Book of Abstracts - 7th PhD Conference: From research to success - possible paths in science
Get PDFThese are the abstracts of the presentations of the 7th PhD conference held on 9 June 2023 in Freiberg
Regionale Betrachtungen und Paläomilieu-Rekonstruktion der Sedimentablagerungen des Senftenberger Elbelaufes
Get PDFEin durch den Lausitzer Braunkohlentagebau Welzow-Süd erschlossener, etwa 250 x 800 m ausgedehnter Aufschluss in den Sedimenten des sogenannten Senftenberger Elbelaufes bzw. der obermiozänen Rauno-Formation bot Anlass für umfangreiche Geländedokumentationen und eine Neubetrachtung der Thematik dieser Elbeablagerungen. Anhand verschiedener sedimentologischer und chemisch-mineralogischer Dokumentationen und Analyseverfahren wurden sowohl dieser Aufschluss als auch acht weitere Lokalitäten untersucht. Im Fokus der Auswertung standen zum einen eine detaillierte Milieu- und Geneseinterpretation der fluviatilen Sedimente im Tagebau Welzow-Süd, zum anderen die Frage nach der stratigraphischen Korrelation der durch quartäre Erosion isolierten Aufschlüsse. Das Ergebnis zeigt, dass die Senftenberger Elbe mit der Hebung des Oberlausitz-Plateaus als verflochtener Fluss vom späteren Elbtal aus durch die Lausitz Richtung Paläo-Nordsee strömte. Eine räumlich-zeitliche Korrelation der einzelnen Aufschlüsse und eine konkrete Flussverlaufsrekonstruktion sind nicht möglich. Auch die bisher etablierte Unterteilung der Senftenberger Elbe in drei zeitliche Abschnitte ist nicht belastbar. Es ist von einer variablen Flussverlaufsentwicklung mit zuströmenden Nebenflüssen auszugehen. Die biostratigraphischen Arbeiten verschiedener Autoren belegen ein obermiozänes bis pliozänes Alter.:Zusammenfassung
Abstract
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Anlagenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Methodik
2.1 Geländeuntersuchungen
2.2 Laboruntersuchungen
2.3 Untersuchungen an Konkretionen
3 Regionale Geologie
4 Stand der Wissenschaft
5 Ergebnisse
5.1 Tagebau Auerhahn
5.2 Ehemalige Kiesgrube bei Brauna
5.3 Tagebau Cunnersdorf
5.4 Tagebau Laußnitz I
5.5 Tagebau bei Lauta
5.6 Tagebau Nochten
5.7 Tagebau Sallgast
5.8 Tagebau Welzow-Süd
5.9 Tagebau Wiesa
5.10 Korngrößenparameter
5.11 Kornform
5.12 Modalbestand der Gerölle 6,3 - 10 mm
5.13 Hellglimmer
5.14 Schwerminerale
5.15 Paläoströmung
6 Interpretation und Diskussion
7 Zusammenfassung und Ausblick
8 Danksagung
9 LiteraturverzeichnisThe lignite opencast mine Welzow-Süd, Lusatia, provided an excellent outcrop of the fluvial sediments of the so-called Senftenberger Elbelauf (Rauno Formation, Upper Miocene) with a dimension of 250 to 800 m, that delivered new insights into the history of this former river. This location and additionally eight further outcrops were investigated using different sedimentological and chemical-mineralogical analyses. A detailed interpretation of the environment and genesis of the fluvial sediments in Welzow-Süd is given and the results for all investigated outcrops are related. After the uplift of the Upper Lusatian Plateau, the Senftenberger Elbe developed to a braided river, that ran through the Lusatian region towards the paleo North Sea. A precise reconstruction of the river channels way is not possible. A reliable spatiotemporal correlation of the single outcrops can’t be given. Furthermore, the so far established division of this river into three parts of different ages must be rejected. A complex river system with feeder channels and variable flow pattern is more probable. The biostratigraphic results of different authors prove an Upper Miocene to Pliocene age.:Zusammenfassung
Abstract
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Anlagenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Methodik
2.1 Geländeuntersuchungen
2.2 Laboruntersuchungen
2.3 Untersuchungen an Konkretionen
3 Regionale Geologie
4 Stand der Wissenschaft
5 Ergebnisse
5.1 Tagebau Auerhahn
5.2 Ehemalige Kiesgrube bei Brauna
5.3 Tagebau Cunnersdorf
5.4 Tagebau Laußnitz I
5.5 Tagebau bei Lauta
5.6 Tagebau Nochten
5.7 Tagebau Sallgast
5.8 Tagebau Welzow-Süd
5.9 Tagebau Wiesa
5.10 Korngrößenparameter
5.11 Kornform
5.12 Modalbestand der Gerölle 6,3 - 10 mm
5.13 Hellglimmer
5.14 Schwerminerale
5.15 Paläoströmung
6 Interpretation und Diskussion
7 Zusammenfassung und Ausblick
8 Danksagung
9 Literaturverzeichni
Kinetic studies of Char Gasification Reaction: (Influence of elevated pressures and the applicability of thermogravimetric analysis)
Get PDFThe thesis primarily focuses on the pressure influence on the reaction rate of char gasification using laboratory thermogravimetric analysis (TGA). It discusses also the gasification of char with a mixture of gasifying agents (CO2 + steam) under a pressure of 40 bar and temperatures up to 1100°C, which has not been reported in the literature to the best of found knowledge.
The first section investigates the pressure impact on char gasification kinetics by varying the total and partial pressure of the gasifying agent. The second section investigates the effect of gasifying agent at 40 bar and combining the pyrolysis step in the investigation, which was done in-situ under inert atmosphere. Then, mixtures of the two gasifying agents were used for the gasification in separate experiments. The third section uses raw coal as material and gives attention
to the char structure formed after the pyrolysis under the high pressure. The fourth section includes measurements for char characteristics during the gasification reaction and compares them with the reference char data performed previously in this research group under atmospheric pressure.:Abstract
1. Introduction 1
1.1 Scope of the thesis 1
1.2 Layout of the thesis 2
2. Literature Review 4
2.1 Background 4
2.2 Coal and gasification 5
2.2.1 Coal classification and characteristics 5
2.2.2 Introduction to gasification process 7
2.2.3 Coal Analysis 10
2.2.4 Pyrolysis 13
2.2.5 Gasification reactions 13
2.2.6 Mechanism of solid-gas reaction and Thermodynamic background 14
2.2.7 Regimes of gas-Solid Reactions 17
2.2.8 Summary 19
2.3 Effect of Pressure on gasification process 20
2.3.1 Advantages of high-pressure operation 20
2.3.2 Influence on the pyrolysis step 20
2.3.3 Effect of Pressure on coal swelling 21
2.3.4 Pressure influence on char morphology 23
2.3.5 Effect of pyrolysis pressure on char surface area 23
2.3.6 Effect on reaction order n 24
2.3.7 Summary 24
2.4 Pressure influence on char gasification reaction kinetics 24
2.4.1 Pressure influence on gasification reaction kinetics 25
2.4.2 Summary 27
2.5 Char gasification using gasifying agent mixtures 27
2.5.1 Mechanism 29
2.5.2 The role of the inhibition and the catalytic effect 29
2.5.3 Summary 32
2.6 Thermodynamic aspects and the estimation of the reaction rate 32
2.6.1 Background 32
2.6.2 Basic definitions of reaction rate 34
2.6.3 Intrinsic kinetic models 35
2.6.4 Theoretical models 36
2.6.5 Empiric Models 39
2.6.6 Intrinsic kinetic models expressed by CO2 concentration 40
2.6.7 Arrhenius Activation Energy 40
2.6.8 Differentiation of a polynomial fit data (Differential method): 41
2.6.9 Summary 43
3. Experimental Analysis 44
3.1 Thermogravimetry 44
3.2 Testing of the gas volume fraction and the total pressure influence on char gasification 45
3.2.1 Testing of the gas volume fraction influence 45
3.2.2 Testing of system pressure influence on char gasification 56
3.2.3 Discussion 65
3.3 Coal gasification at 40 bar with pure CO2, H2O and their mixtures 65
3.3.1 Gasification with pure CO2 and H2O 66
3.3.2 Coal gasification using CO2 / H2O mixtures at high system pressure 87
3.3.3 Discussion 96
3.4 Pressure influence on coal gasification 100
3.4.1 Coal gasification under different system pressures 100
3.4.2 The effect of increasing pressure on coal morphology 104
3.4.3 Discussion 117
3.5 Influence of the pressure on the char properties during gasification 118
3.5.1 Discussion 129
4. General discussion 134
5. Conclusions 139
5.1 Significance of the findings 143
5.2 Recommendations 144
6. Appendix 146
6.1 Literature and Results 146
6.1.1 Conditions influence on gasification of the (a) temperature, (b) partial pressure 146
6.1.2 TGA-DMT 147
6.1.3 Testing of the gas volume fraction influence on coal gasification 148
6.1.4 Testing of system pressure influence on char gasification 150
6.1.5 Coal gasification at 40 bar with pure CO2, H2O and their mixtures 152
6.1.6 Coal gasification under different pressures 162
6.1.7 Summary of gas mixture gasification studies 167
6.2 Figures Index 169
6.3 Tables Index 175
6.4 References 17
Crystal structure of methanol solvate of a macrocycle bearing two flexible side-arms
Get PDFDi-tert-butyl N,N′-{[13,15,28,30,31,33-hexaethyl-3,10,18,25,32,34-hexaazapentacyclo[25.3.1.15,8.112,16.120,23]tetratriaconta-1(31),3,5,7,9,12(33),13,15,18,20,22,24,27,29-tetradecaene-14,29-diyl]bis(methylene)}dicarbamate methanol disolvate, C52H72N8O4·2CH3OH, was found to crystallize in the space group P21/c with one half of the macrocycle (host) and one molecule of solvent (guest) in the asymmetric unit of the cell, i.e. the host molecule is located on a crystallographic symmetry center. Within the 1:2 host–guest complex, the solvent molecules are accommodated in the host cavity and held in their positions by O—H⋯N and N—H⋯O bonds, thus forming ring synthons of graph set R22(7). The connection of the 1:2 host-guest complexes is accomplished by C—H⋯O, C—H⋯N and C—H⋯π interactions, which create a three-dimensional supramolecular network
ZnS-Synthese und Charakterisierung
Get PDFZiel der Arbeit war die Synthese von ZnS, welches strukturell natürlichen Sphalerit imitieren und für die Untersuchung und Optimierung von biologischen Laugungsexperimenten genutzt werden soll. Zur Herstellung von chemisch reinem sowie mit den Wertelementen Indium, Kupfer und Eisen dotierten ZnS wurden vier verschiedene Synthesemethoden getestet: Ofentempern, chemische Gasphasentransportreaktion (CVT), feldunterstütztes Sintern (SPS) und die Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese (HP/HT). Es folgte die Charakterisierung der synthetisierten Produkte hinsichtlich der Realstruktur und chemischen Reinheit mittels XANES, REM, XRD, EPMA und nasschemischer Verfahren. Abschließend wurden die Synthesemethoden nach ihrer Effizienz evaluiert. Das Ziel, defektfreies kubisches ZnS zu erzeugen, wurde nur mittels CVT und HP/HT erreicht. In dieser Arbeit konnte weiterhin gezeigt werden, dass der Einbau von Indium ohne gleichzeitige Aufnahme von Kupfer bis zu 1 Ma-% möglich ist.:Abbildungsverzeichnis VII
Tabellenverzeichnis XI
Abkürzungen, Akronyme und Symbole XII
Einheiten XV
1 Einleitung 1
2 Forschungsstand zur Synthese von Zinksulfid 6
2.1 Kristallographie von ZnS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 p-T -Phasendiagramm von ZnS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Synthesematerial 15
3.1 Gefälltes ZnS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Dotierungsmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Recherche zu kommerziellen Metallsulfiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4 Synthesemethoden 21
4.1 Ofentempern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2 FAST-SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3 CVT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.4 HP/HT-Synthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.1 Toroid-Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.4.2 HP/HT-Experimentalaufbau und -ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4.3 HP/HT-Kalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5 Analysemethoden 42
5.1 ICP-MS & ICP-OES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2 XRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.3 UV-VIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.4 REM-EDX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.5 EBSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.6 EPMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.7 XANES Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.8 Ramanspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.9 Dichtebestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.10 BET-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6 Ergebnisse 63
6.1 Charakterisierung industriell verfügbarer Materialien und natürlicher Proben . 63
6.1.1 Synthetische, industriell verfügbare Materialien . . . . . . . . . . . . . . 63
6.1.2 Referenzspektren für XANES-Analysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2 Charakterisierung der Synthesematerialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.2.1 ZnS der Leuchtstoffwerke Breitungen GmbH (LWB) . . . . . . . . . . . 74
6.2.2 Dotierungsmaterialien In, Cu und Fe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3 Charakterisierung der synthetisierten Produkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3.1 Einkristalle (CVT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3.2 Polykristalline Produkte (Ofentempern, FAST-SPS und HP/HT) . . . . 112
6.4 Bestimmung des Stapelfehleranteils mittels Ramanspektroskopie? . . . . . . . . 152
7 Diskussion 155
7.1 Synthesematerialien und industriell verfügbare Materialien . . . . . . . . . . . 155
7.2 Syntheseprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.2.1 Syntheseprodukte: Einkristalle (CVT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.2.2 Syntheseprodukte: Polykristalline Produkte (Ofentempern, FAST-SPS
und HP/HT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.2.3 Vergleich der Syntheseprodukte: Einkristalle und Polykristalline Produkte 202
8 Laugungsexperimente: Zusammenfassung und Schlussfolgerung 213
9 Schlussfolgerung 220
10 Zusammenfassung 221
Literaturverzeichnis 225
Anhang
A Ergebnispräsentation auf internationalen Fachtagungen 247
B Pulver vs. Kompaktprobe-Diffraktometrie 249
C ZnSdis.str-Datei 252
D Bestimmung der Bandlücke 254
E Messpunkte EPMA 256
F Einwaagen der Synthese 258
G Texturfaktoren der Röntgenbeugung X-Ray Diffraction (XRD)-Analyse 26
Synthesis and stability of single-phase chalcopyrite – a potential reference material for key investigations in chemistry and metallurgical engineering
Get PDFSingle-phase chalcopyrite (CuFeS2) is a key reference material in the development of new metallurgicalprocesses to ensure a reliable copper supply. Here, we report on the successful synthesis of single-phase chalcopyrite and its phase behaviour. Single-phase chalcopyrite (CuFeS2) is a key reference material in the development of new metallurgical processes to ensure a reliable copper supply. Here, we report on the successful synthesis of single-phase chalcopyrite and its phase behaviour. We further rationalise different opinions previously expressed in the literature. Chalcopyrite synthesis has been studied at 450 °C with varying sulfur contents and analysed using X-ray powder diffraction (XRPD) and 57Fe-Mössbauer spectroscopy. With stoichiometric amounts (Cu[thin space (1/6-em)]:[thin space (1/6-em)]Fe[thin space (1/6-em)]:[thin space (1/6-em)]S = 25[thin space (1/6-em)]:[thin space (1/6-em)]25[thin space (1/6-em)]:[thin space (1/6-em)]50) the main chalcopyrite phase is contaminated with pyrite (FeS2) and bornite (Cu5FeS4). Single-phase chalcopyrite was only found in samples containing around 49.7 at% sulfur in the reactant mixture. Mößbauer spectroscopy confirmed that chalcopyrite contains trivalent iron. Temperature dependent XRPD measurements detected an order–disorder phase transition starting at 485 °C. At temperatures above 535 °C, samples only contained intermediate solid solutions. These adopt the sphalerite structure with the lattice constant slightly varying with Cu[thin space (1/6-em)]:[thin space (1/6-em)]Fe ratio