Authors:	Hummrich, Holger
Title:	Der Einsatz elektrochemischer Methoden für die Untersuchung superschwerer Elemente
Online publication date:	7-Apr-2006
Year of first publication:	2006
Language:	german
Abstract:	Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Experimentaufbaus für die elektrochemische Abscheidung von Transactiniden mit anschließender Detektion. Zu diesem Zweck wurden Experimente mit den Homologen dieser Elemente durchgeführt. Die Elektrodeposition von Tracermengen an Fremdelektroden führt zu einer Elektrodenbedeckung von weniger als einer Monolage. Die erforderlichen Abscheidepotentiale sind häufig positiver, als nach der Nernst’schen Gleichung zu erwarten ist. Dieses Phänomen nennt man Unterpotentialabscheidung. In zahlreichen Versuchen mit Radiotracern wurde die Abscheideausbeute als Funktion des Elektrodenpotentials bestimmt, wobei abzuscheidendes Ion, Elektrodenmaterial und Elektrolyt variiert wurden. Es wurden kritische Potentiale, bei denen eine nennenswerte Abscheidung gerade begann, ermittelt sowie Potentiale für die Abscheidung von 50 % der in der Lösung befindlichen Atome. Diese Werte wurden mit theoretisch vorhergesagten Potentialen und Werten aus der Literatur verglichen. Die Abscheidung von Pb als Homologem von Element 114 funktionierte sehr gut an Elektroden aus Palladium oder palladinierten Nickelelektroden unter Verwendung von 0,1 M HCl als Elektrolyt. Zur Charakterisierung der Unterpotentialabscheidung wurde neben der Radiotracer-Methode auch die Cyclovoltammetrie eingesetzt. Hier findet die Abscheidung der ersten Monolage auf der Elektrode ebenfalls häufig bei positiveren Potentialen statt, als die der Hauptmenge. Die mit beiden Methoden ermittelten Werte wurden einander gegenübergestellt. Die Elektrodeposition von kurzlebigen Isotopen muss sehr schnell erfolgen. Es konnte gezeigt werden, dass eine hohe Temperatur und damit verbunden eine niedrige Viskosität des Elektrolyten die Abscheidung beschleunigt. Ebenfalls wichtig ist ein gutes Rühren der Lösung, um eine kleine Nernst’sche Diffusionsschichtdicke zu erzielen. Das Verhältnis von Elektrodenfläche zu Elektrolytvolumen muss möglichst groß sein. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde eine für schnelle Elektrolysen optimierte Elektrolysezelle entwickelt. Unter Einsatz dieser Zelle wurden die Abscheidegeschwindigkeiten für verschiedene Ionen- und Elektrodenkombinationen gemessen. Es wurden Experimente zur Kopplung von Gasjet und Elektrolysezelle durchgeführt, dabei wurde sowohl mit am Reaktor erzeugten Spaltprodukten, mit Pb-Isotopen aus einer emanierenden Quelle und mit am Beschleuniger erzeugten Isotopen gearbeitet. Mit den dort gewonnenen Erkenntnissen wurde ein Experimentaufbau für die kontinuierliche Abscheidung und Detektion von kurzlebigen Isotopen realisiert. Am Beschleuniger wurden u. a. kurzlebige Hg- und Pb-Isotope erzeugt und mit einem Gasjet aus der Targetkammer zum ALOHA-System transportiert. Dort wurden sie in einem quasi-kontinuierlichen Prozess in die wässrige Phase überführt und zu einer Elektrolyszelle transportiert. In dieser erfolgte die Elektrodeposition auf eine bandförmige Elektrode aus Nickel oder palladiniertem Nickel. Nach der Abscheidung wurde das Band zu einer Detektorphalanx gezogen, wo der -Zerfall der neutronenarmen Isotope registriert wurde. Es wurden charakteristische Größen wie die Abscheidegeschwindigkeit und die Gesamtausbeute der Elektrolyse ermittelt. Das System wurde im Dauerbetrieb getestet. Es konnte gezeigt werden, dass der gewählte Aufbau prinzipiell für die Abscheidung von kurzlebigen, am Beschleuniger erzeugten Isotopen geeignet ist. Damit ist eine wichtige Voraussetzung für den zukünftigen Einsatz der Methode zum Studium der chemischen Eigenschaften der superschweren Elemente geschaffen. The main goal of this work was the development of an experimental set-up for the electrochemical deposition of transactinides with subsequent -detection. For this purpose, experiments with the homologs of theses elements were performed. The electrodeposition of tracer amounts onto a foreign electrode results in a sub-monolayer deposition. The electrodeposition potentials are often positive with respect to the Nernst equation. This phenomenon is called underpotential deposition. In many experiments with radiotracers, the deposition yield as function of the electrode potential was determined under variation of electrode material and electrolyte. Critical potentials, at which an appreciable deposition starts, and potentials for the deposition of 50 % of the atoms in solution were determined. These values were compared with theoretical predictions and literature data. The deposition of lead as a homolog of element 114 was found to be very good on palladium or palladinated nickel electrodes using 0.1 M HCl as electrolyte. To characterise the underpotential deposition, cyclic voltammetry was used in addition to the radiotracer method. Here, the deposition of the first monolayer often takes place at more positive potentials than the bulk deposition. The values determined with both methods were compared. The electrodeposition of short lived isotopes has to be fast. It was shown that a high temperature and a low viscosity of the solution accelerate the deposition. Furthermore, a good agitation of the solution is important to achieve a small Nernst diffusion layer. The ratio of electrode area and electrolyte volume should be high. Based on these results, an electrolytic cell optimised for fast electrodeposition experiments was constructed. Using this cell, the deposition speed for various ion/electrode combinations was determined. The coupling of gas-jet and electrolytic cell was investigated using fission products, Pb isotopes from an emanating source, and isotopes produced at the UNILAC accelerator. An experimental set-up for the continuous deposition and detection of short-lived isotopes was developed. At the accelerator, short-lived Hg and Pb isotopes were produced, swept out of the target chamber with a gasjet-sytem, and transported to the ALOHA device. The isotopes were transferred into the liquid phase in a quasi-continuous process and transported to the electrolytic cell. Here, the electrodeposition on a tape shaped electrode made of nickel or palladinated nickel, took place. After the electrodeposition, the tape was stepped to a phalanx of -detectors, where the decay was registered. Characteristic quantities like the electrodeposition speed and the overall yield were determined. It could be demonstrated that the set-up in principle is suited for the deposition of short-lived accelerator produced isotopes. This is an important requirement for the future application of electrochemical methods for the investigation of superheavy elements.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3520
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-9848
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
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