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Projekt
Mechanismen der Bildung metastabiler Hydride und Nitride mittels in situ-Neutronenbeugung von Fest-Gas-Reaktionen
Antragsteller
Professor Dr. Holger Kohlmann; Professor Dr. Rainer Niewa; Dr. Helge Rosner
Fachliche Zuordnung
Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
Förderung
Förderung von 2009 bis 2014
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 142461806
Für die gezielte Synthese metastabiler Verbindungen ist das Verständnis von Reaktionspfaden wichtig. Wir haben daher Gasdruck- und Gasfluss-Zellen für die in situ-Neutronenbeugung bei Fest-Gas-Reaktionen mit Wasserstoff (Deuterium) und Ammoniak entwickelt. Mit Ersterer sind 160 bar Gasdruck und 400 °C möglich, wobei der Beugungsuntergrund des als Probenbehälter dienenden Saphir-Einkristall-Rohres extrem niedrig ist. Durch Verwendung von Kieselglas-Rohren in der Gasfluss-Zelle können Temperaturen bis 1000 °C erreicht werden. Es wird von zwei Seiten mit einem Laser beheizt. Die Temperatur wird mittels eines kalibrierten Pyrometers gemessen. Beide Zellen werden für in situ-Neutronenbeugung mit Wasserstoff oder Ammoniak mit einer Zeitauflösung von 1 min am Diffraktometer D20 des ILL in Grenoble, Frankreich, im Routinebetrieb eingesetzt. Eine breite Palette an Systemen wurde bereits untersucht, z. B. Deuteridbildung von Palladium, Zintl-Phasen, intermetallische Li-Al- und Lanthanid-Verbindungen sowie die Bildung von Nitriden aus metallischen Edukten (VN, V2N, Fe4N via intermediäres Fe3N). Für palladiumreiche Phasen MPd3 konnte ein kompletter Reaktionsmechanismus aufgestellt werden, der zur geplanten Synthese neuer metastabiler Festkörper führte.Das erfolgreiche Konzept unserer Gaszellen soll bezüglich Druck- und Temperaturbedingungen (Dichtung und Container-Material), automatischer Druck-Temperatur-Programme und Adaption an das Diffraktometer SPODI am FRM-II, Garching, optimiert werden. Mit Hilfe des bekannten Reaktionsmechanismuses für palladiumreiche Verbindungen sollen neue metastabile Phasen der Metalle M = Tl1-xPbx, In1-xSnx, As, Sb, Se, Mn gezielt synthetisiert werden. Metastabile Intermediate bei der Bildung von gemischtvalenten Yb-Hydriden und die Hydrierung von für die Wasserstoffspeicherung interessanter leichter Li-Al-Verbindungen sollen ebenfalls untersucht werden. Bei den Nitriden sollen Erkenntnisse für Vanadium und Eisen vertieft und auf Chrom, Mangan, Cobalt, Nickel und Kupfer ausgeweitet werden. Hierbei sollen z. T. sehr interessante magnetische Eigenschaften zeigende metastabile Nitride, wie z. B. Fe16N2 und Fe8N oder Co3N, erzeugt und strukturell charakterisiert werden. Weitere Synthesestrategien bei Metallnitriden beinhalten den Einsatz von vordissoziiertem Ammoniak, Zersetzung von Precursoren und die Ammonolyse von Metallhydriden. Um weitere Substanzklassen zu erschließen und die Kooperation im SPP zu stärken, werden auch metastabile Oxide und Oxidnitride untersucht. In situ-Neutronenbeugung zur Ammonolyse von Ta2O5 wird ein detailliertes Bild der Bildung des Photokatalysators Ta3N5 über transient auftretendes TaON und seine metastabile Modifikation erlauben. Wir werden außerdem die Bildung von metastabilem V2O3 im Bixbyit-Typ und die Bildung von schwarzem Phosphor untersuchen. Die experimentellen Studien werden von quantenmechanischen Rechnungen begleitet, die durch Kooperation innerhalb und außerhalb des SPP realisiert werden.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
