Production of Co, Ni, and Cu nanoparticles by hydrogen reduction

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorJokiniemi, Jorma, Prof., University of Eastern Finland, Faculty of Science and Forestry, Finland
dc.contributor.authorForsman, Johanna
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorKauppinen, Esko, Prof. Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.date.accessioned2013-08-23T09:00:12Z
dc.date.available2013-08-23T09:00:12Z
dc.date.defence2013-08-27
dc.date.issued2013
dc.description.abstractIn this thesis, production of Co, Ni, and Cu nanoparticles by hydrogen reduction of metal chlorides in gas phase was studied. Nanoparticles have unique properties not found in bulk or micron-scale materials. These enable new products or reduced use of raw materials. Metal nanoparticle production has been studied widely, but especially for coated metal particles, research of coating mechanisms and economic production methods is still needed. The method used in this thesis combines a high yield, a high production rate, low production costs, high particle quality, and a good range of available particle number average diameters and other properties. These particles could be utilised in conductive inks, antenna substrates, medical imaging, or as sensors and catalysts. The number average primary particle diameter (NAD) of Co particles increased from 20 to 84 nm as the particle mass concentration increased from 0.5 to 10 g/m3. For even higher particle mass concentrations, the NAD did not increase. The Co and Cu particles were coated in-situ with carbon, by adding ethene to the reaction flow. Copper particles were also coated with carbon and carbon nanotube-like structures by adding ethene and water to the reaction flow. When ethene concentration was increased from zero to 9.2 mol-%, the NAD decreased from 84 to 17 nm for cobalt. Particle mass concentration was 10 g/m3 or higher in these experiments. The standard deviation was 17 nm when NAD 84 nm and 7 nm when NAD was 17 nm. For copper, the NAD increased from 20 to 121 nm. The particles were crystalline with an FCC structure in all cases. The particle growth was modelled in a simplified way. It appears, that surface reaction is an important part of the particle growth process. The most likely scenario is that first, seed particles form by gas phase reaction and nucleation. Then, these particles grow partly by surface reaction and partly by condensation growth. In the gas phase, some backward reaction of metal to metal chloride occurs. The saturation magnetic moment of the Co and Co+C particles was 141–147 emu/g, which is close to bulk Co (159 emu/g). No hysteresis was observed for these particles. Cobalt particles with and without carbon coating were used to fabricate polymer composites, which could be applied in RF antennae. The relative permeability of the composite was increased from 1 to 3 as the loading of the particles increased from zero to 28 vol-%. Copper particles coated with carbon coating and CNT-like structures were used to fabricate inkjet fluid capable of producing conductive lines after printing a single layer. The best achieved conductivity was 6.4 S/m.en
dc.description.abstractTässä väitöskirjatyössä on tutkittu koboltti-, nikkeli- ja kuparinanohiukkasten tuottoa vetypelkistysmenetelmällä kaasufaasissa. Nanomateriaaleilla on ominaisuuksia, joita ei ole vastaavilla isomman kokoluokan materiaaleilla. Niiden avulla voidaan tehdä uudenlaisia tuotteita tai vähentää materiaalien käyttöä ratkaisevasti. Lähtöaineena on käytetty metalliklorideita. Metallinanohiukkasten tuottoa on tutkittu paljon, mutta erityisesti päällystettyjen hiukkasten tapauksessa tarkkoja ja taloudellisia menetelmiä on edelleen syytä tutkia ja kehittää. Tässä työssä käytetyllä menetelmällä voidaan tuottaa hiukkasia niin, että hiukkaskoon ja muita muuttujia voi valita samalla, kun hiukkasten laatu ja tuotto pysyvät korkealla. Kobolttihiukkasten lukumääräkeskiarvostettu primäärihiukkashalkaisija (LKH) kasvoi 20 nanometristä 84 nanometriin, kun hiukkasten massakonsentraatio kasvoi arvosta 0,5 g/m3 arvoon 10 g/m3. Tätä suuremmilla massakonsentraatioilla hiukkaset eivät enää kasvaneet. Koboltti- ja kuparihiukkaset päällystettiin hiilellä lisäämällä eteeniä reaktiovirtaukseen. Kuparihiukkaset päällystettiin lisäksi hiilellä ja hiilinanoputkimaisilla rakenteilla lisäämällä eteeniä ja vettä reaktoriin. Kun eteenipitoisuus kasvaa nollasta 9,2 mooliprosenttiin kobolttihiukkasten LKH pienenee 84 nanometristä 17 nanometriin. Hiukkasten massakonsentraatio oli 10 g/m3 tai suurempi. Kun hiukkasen LKH oli 84 nm, oli keskihajonta 17 nm. Kun LKH oli 17 nm, oli hajonta puolestaan 7 nm. Kuparin kohdalla LKH pieneni 121 nanometristä ilman eteeniä 20 nanometriin, kun eteenipitoisuus nousi 9,2 mooliprosenttiin. Kaikissa tapauksissa hiukkaset olivat kiteisiä ja kiderakenne oli FCC. Hiukkasten muodostumisprosessia mallinnettiin yksinkertaisella laskennalla. Vaikuttaa siltä, että pintareaktiolla on tärkeä osa hiukkasten kasvussa. Ensin muodostuvat hiukkasten ytimet kaasufaasireaktiolla ja nukleaatiolla. Sitten hiukkaset kasvavat kondensaatiolla ja pintareaktiolla. Kaasufaasissa tapahtuu myös jonkin verran käänteisreaktiota metallista metallikloridiin. Sekä kobolttihiukkasten että hiilipäällystettyjen kobolttihiukkasten saturaatiomagnetisaatio vaihteli välillä 141–147 emu/g. Koboltin ominaissaturaatiomagnetisaatio on 159 emu/g. Mitatuilla hiukkasilla ei havaittu hystereesiä. Sekä hiilipäällystettyjä että päällystämättömiä kobolttihiukkasia käytettiin polymeerikomposiitin valmistuksessa. Komposiittia voidaan hyödyntää RF-antennin alustana. Komposiitin suhteellinen permeabiliteetti kasvoi arvosta 1 arvoon 3, kun hiukkasten osuus kasvoi nollasta 28 tilavuusprosenttiin. Hiilellä ja hiili-hiilinanoputkiyhdistelmällä päällystettyjä kuparihiukkasia käytettiin valmistettaessa mustetta, jolla tehtiin johtavia viivoja tulostamalla yksi kerros mustesuihkutulostuksella. Paras johtavuus oli 6,4 S/m.fi
dc.format.extent62 + app. 51
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.isbn978-951-38-8008-8 (electronic)
dc.identifier.isbn978-951-38-8007-1 (printed)
dc.identifier.issn2242-1203 (electronic)
dc.identifier.issn2242-119X (printed)
dc.identifier.issn2242-119X (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/10906
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-951-38-8008-8
dc.language.isoenen
dc.opnGrass, Robert, Dr, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Institute for Chemical and Bioengineering, Functional materials laboratory, Switcherland
dc.publisherVTT Technical Research Centre of Finlanden
dc.publisherVTTfi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Forsman, J., Tapper, U., Auvinen, A. and Jokiniemi, J. Production of cobalt and nickel particles by hydrogen reduction. Journal of Nanoparticle Research, 10, 2008, pp. 745–759.
dc.relation.haspart[Publication 2]: Koskela, P., Teirikangas, M., Alastalo, A., Forsman, J., Juuti, J., Tapper, U., Auvinen, A., Seppä, H., Jantunen, H., Jokiniemi, J. Synthesis of cobalt nanoparticles to enhance magnetic permeability of metal-polymer composites. Advanced Powder Technology, 22, 2011, pp. 649–656.
dc.relation.haspart[Publication 3]: Forsman, J., Koskela, P., Auvinen, A., Tapper, U., van Dijken, S., Jokiniemi, J. In-situ coated nanomagnets. Powder Technology, 233, 2013, pp. 15–21.
dc.relation.haspart[Publication 4]: Eiroma, K., Forsman, J., Hult, E.-L., Auvinen, A., Sipiläinen-Malm, T., Alastalo, A., Tapper, U., Leppäniemi, J., Mattila, P., Lyyränen, J., Sarlin, J., Jokiniemi, J., Mössmer, S. Water-based carbon-coated copper nanoparticle fluid – formation of conductive layers at low temperature by spin coating and inkjet deposition. Journal of Imaging Science and Technology, 56(4), 2012, pp. 40501-1–40501-10.
dc.relation.ispartofseriesVTT Scienceen
dc.relation.ispartofseries36
dc.revMäkelä, Jyrki, Prof., Tampere University of Technology, Department of Physics, Finland
dc.revSerimaa, Ritva, Prof., University of Helsinki, Department of Physics, Finland
dc.subject.keywordcobalten
dc.subject.keywordcopperen
dc.subject.keywordnickelen
dc.subject.keywordnanoparticlesen
dc.subject.keywordcore-shellen
dc.subject.keywordmagnetic nanoparticlesen
dc.subject.otherPhysicsen
dc.subject.otherMaterials science
dc.titleProduction of Co, Ni, and Cu nanoparticles by hydrogen reductionen
dc.titleCo-, Ni- ja Cu-nanohiukkasten tuotto vetypelkistysmenetelmälläfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_64519
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789513880088.pdf
Size:
2.1 MB
Format:
Adobe Portable Document Format