Synthese von 2:1-Schichtsilicaten mit hohen Übergangsmetallgehalten und den sich davon ableitenden geordneten Wechsellagerungen

• Applicant: Professor Dr. Josef Breu
• Subject Area: Solid State and Surface Chemistry, Material Synthesis
• Term: from 2006 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 33279415

Die Struktur der 2:1-Schichtsilicate ({Z0-1}Zwi.{[M¿2-3]Okt.[M4]Tet.O10(OH)2}) zeigt gegenüber isomorpher Substitution im Kationen- und im Anionengitter eine erstaunliche Robustheit. Sowohl in den Tetraederschichten (M = Si4+, Al3+, Fe3+, Co3+, ...) als auch in den Oktaederschichten (M¿ = Al3+, Mg2+, Li+, Fe2+/3+, Co2+/3+, Ni2+, Cu2+, Zn2+ ...) sind weitgehende Variationen möglich. Durch die Hydroxylgruppen im Anionengitter ist die thermische Stabilität unter Normaldruck bei natürlichen Schichtsilicaten auf ca. 350 °C beschränkt. Durch Substitution der Hydroxylgruppen durch F- oder O2- lassen sich jedoch Schichtsilicate sogar aus der Schmelze synthetisieren, wodurch dann systematische Variationen im Kationenuntergitter möglich sind, die weit über die Substitutionsgrenzen natürlicher Schichtsilicate hinausgehen. Die hohen Synthesetemperaturen sorgen zudem auch für eine statistische Verteilung der substitutierten Kationen statt der bei natürlichen Schichtsilicaten beobachteten Clusterung und in der Folge für eine sehr homogene Ladungsdichte der Silicatschichten. Obwohl auf der Basis der mit natürlichen Schichtsilicaten gemachten Erfahrungen ein weiter Bereich potentieller technischer Anwendungen und physiko-chemischer Eigenschaften zugänglich sein sollte (Katalyse, elektrische und lonenleitung, Nanokomposite, Sensoren, Photofunktionen, Glaskeramiken), ist bisher eine systematische Untersuchung dieser synthetischen Materialien nur in Ansätzen erfolgt. Die stark übergangsmetallhaltigen Zusammensetzungen erscheinen hier besonders interessant. So zeigt Fe-Täniolith eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von Halbleiter, und eine weitere Funktionalisierung durch Kationenaustausch ist problemlos möglich. Die Kernziele des Projektes sind die Erarbeitung geeigneter Präparationsmethoden zur Synthese von, auch gemischtvalenten, Schichtsilicaten, -germanaten, -gallaten und -ferraten, die Messung physikalisch-chemischer Eigenschaften (elektrische und lonenleitfähigkeit, Magnetismus) und die Untersuchung der reversiblen oxidativen Reduktion der Schichtladung (Mechanismus, materialwissenschaftliche Anwendungen).

• DFG Programme: Research Grants