Laser-mediated Synthesis of Iron Nanoclusters

Ondřej Havelka

Bachelor's thesis

Abstract:

In the current thesis, the main subject of study is the laser-mediated synthesis of iron nanoclusters. The process consists in reducing the size of iron microparticles by means of a photo-thermal evaporation effect prompted by nanosecond pulsed laser irradiation. The energy required to reduce the precursor element's size under 3 nm is determined by the theoretical model known as the particle heatingmelting- evaporation model. The tested precursor colloid systems consist of iron microparticles with an average size of 2 micrometers dispersed in different polar solvents (water, methanol, ethanol, ethylene glycol and polyethylene glycol 400) and in liquid nitrogen. In order to deeply understand the technique, two different energy value regimes are used: lower and higher energy values than the threshold (depending on the liquid medium). When energy values beyond the calculated threshold are used, it is possible to observe the successful synthesis of iron nanoclusters. Moreover, when the dipole moment of the used solvents is larger than the one found in water, the solvent seems to act as a capping agent enabling the stabilization of the produced nanomaterial without the use of external stabilization agents. Finally, various optical and electron-based techniques are used to determine that the synthesized materials exhibit the expected optical and morphological properties. On top of, considering the material's outstanding characteristics indicated in the relevant literature, it is planned to test its catalytic activity and magnetic properties in the future.

Abstract:

V této bakalářské práci je zkoumána syntéza nanoklastrů železa, které jsou produkovány pomocí metody laserové syntézy. Syntetický přístup spočívá ve zmenšování velikosti železných mikročástic účinkem fototermálního vypařování vyvolaného ozařováním pomocí nanosekundového pulzního laseru. Energie potřebná k zmenšení velikosti prekurzních částic na průměrnou velikost pod 3 nm je určena teoretickým modelem známým jako model zahřívánítavení- vypařování částic. Měřené prekurzorní koloidy jsou tvořené železnými mikročásticemi s průměrnou velikostí 2 mikrometrů, které jsou rozpuštěné v různých polárních rozpouštědlech (vodě, methanolu, ethanolu, ethylenglykolu a polyethylenglykolu 400) a v kapalném dusíku. Pro hlubší pochopení této techniky je použito dvou různých energií pro ozařování: podprahová a nadprahová hodnota energie (měnící se v závislosti na kapalném médiu). Při použití energie nad vypočtenou prahovou hodnotou je možné pozorovat úspěšnou syntézu nanoklastrů železa. V případě, kdy je dipólový moment použitých rozpouštědel větší než hodnota dipólového momentu vody, tak molekuly rozpouštědla obklopí částice, čímž umožní stabilizaci generovaného nanomateriálu bez použití přidaného stabilizačního činidla. K určení a potvrzení očekávaných optických a morfologických vlastností syntetizovaných materiálů je použito optických a elektronových charakterizačních technik strukturní analýzy. Navíc s ohledem na další výjimečné charakteristiky materiálu, které jsou zmiňovány v související literatuře, je plánováno testování katalytických a magnetických vlastností materiálu.

Keywords

nanoklastr, nanočástice železa, železo, laserová syntéza, pulsní laser, polární rozpouštědlo, udržitelná chemie

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2019

Thesis defence

• Supervisor: Dr. Rafael Torres

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Bachelor programme / field:
Nanotechnology / Nanomaterials