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Hauptseminar AC V

Hauptseminar AC V. Gliederung. Einführung Interkalationsverbindungen Struktur Synthese Elektronische Eigenschaften Anwendungsgebiete. Interkalation. Einbringung einer Gast-Spezies in den Zwischenschichtraum eines schichtartigen Feststoffes unter Erhalt des schichtförmigen Aufbaus .

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Hauptseminar AC V

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Presentation Transcript

  1. Hauptseminar AC V

  2. Gliederung • Einführung • Interkalationsverbindungen Struktur Synthese Elektronische Eigenschaften • Anwendungsgebiete

  3. Interkalation Einbringung einer Gast-Spezies in den Zwischenschichtraum eines schichtartigen Feststoffes unter Erhalt des schichtförmigen Aufbaus • Robert A. Schoonheydtet al., Pillared Clays andPillaredLayeredSolids, Pure Appl. Chem., Vol. 71, No.12, 1999, 2367-2371

  4. Graphit • AB-Schichtstruktur • -hybridisierte Kohlenstoffe • 3 σ-Bindungen •  p-Orbitale bilden delokalisierte π-Bindungen • d(C-C) = 142 pm • Zwischenschichtabstand: 335 pm • Bindungsenergien: • Zwischen zwei C in einer Schicht: 4.3 eV • Zwischen zwei Schichten: 0.07 eV • Anisotrope Eigenschaften • Abbildung:RajatenduSengupta et al, A review on the mechanical and electrical properties of graphite and modifiedgraphitereinforced polymer composites, Progress in Polymer Science, 36, 2011, 638-670 • Björn Trauzettel, Von Graphit zu Graphen, Physik Journal 6, 7, 2007, 39-44 • D. D. L. Chung, Review Graphite, Journal of Materials Science, 37, 2002, 1475-1489

  5. Graphit • Abbildung: Ralf Steudel, Chemie der Nichtmetalle– Mit Atombau, Molekülgeometire und Bindungstheorie, 2. Auflage, Walter de Gruyter GmbH & Co., Berlin, 1998 • H. Zabel et al., Graphite Intercalation Compounds II Transport and Electronic Properties, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1992 • RikaMatsumoto et al., Thermoelectric Properties and Electrical Transport of Graphite Intercalation Compounds, Materials Transactions, Vol. 50, No. 7 (2009) pp. 1607 to 1611 • Zero gapsemiconductor • Elektrische Leitfähigkeit σ: e = Elementarladung; = Ladungsträgerkonzentration der Elektronen bzw. Defektelektronen; = Beweglichkeit der Elektronen bzw. Defektelektronen

  6. Graphiteinlagerungsverbindungen (GIC) Donor-GIC: Alkalimetalle (Li, K, Rb, Cs); Erdalkalimetalle (Ca, Sr, Ba); Seltene Erden (Eu, Sm, Y); Akzeptor-GIC: Halogene (Br2, Cl2) ;Metallahlogenide (FeCl3,…); Sauerstoffsäuren (H2SO4, HNO3); Oxide (N2O5, SO3,…); Graphit = Amphoter Reaktion mit Elektrondonatoren und Akzeptoren Bildung von 2 verschiedenen Charge-Transfer-Komplexen • Enoki T., Endo M., Graphite intercalationcompoundsandApplications, Oxford University Press: New York, 2003 • Stumpp E., Chemistry ofgraphiteintercalationcompoundsoftheacceptor type, Physica105B, 1981, 9-16 • M. S. Dresselhasuand G. Dresselhaus, Intercalation Compoundsof Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, 1-186

  7. Alkalimetallgraphitverbindungen am Beispiel von Kalium KC8 KC24 • Riedel E., Janiak C., Anorganische Chemie mit DVD, 7. Auflage, Walter de Gruyter GmbH & Co. KG, Berlin, 2007 • Abbildung links: Dissertation: Arthur Lovell, Tuneablegraphiteintercalatesfor hydrogen storage, September 2007 • Abbildung rechts: http://geology.com/minerals/photos/graphite-168.jpg (Stand: 31.05.2013)

  8. Struktur der Graphit-Interkalationsverbindungen (GIC) • Staging-Phänomen • ≥ Stufe 2: nur 2/3 der K-Plätze besetzt • d (C-C) = 143.1 pm  größer als in Graphit  Besetzung antibindender -Zustände • Abbildung links: http://2012books.lardbucket.org/books/general-chemistry-principles-patterns-and-applications-v1.0m/section_25/eb59f989d8512ae34d783b50b3e6a97b.jpg (Stand: 10.07.2013) • Abbildung rechts: Riedel E. Janiak C., Anorganische Chemie, 8. Auflage, Walter de Gruyter GmbH & Co. KG, Berlin, 2011 • M. S. Dresselhasuand G. Dresselhaus, Intercalation Compoundsof Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, 1-186

  9. Struktur der K-GIC´s Identifizierung der Stufe erfolgt durch Röntgendiffraktometrie(00l) IC = Identitätsperiode –> X-Ray-Diffraktion–> IC (Å) = dS + 3.35 Å(n-1); (dS = Abstand zweier einzelner Graphitschichten, die durch eine Interkalatschichtvoneinander getrennt sind) n∙λ = 2∙d∙sin(θ) • Abbildung:Purewal Justin, Hydrogen Adsorption by Alkali Metal Graphite Intercalation Compounds, Doctor Thesis, California Institute ofTechnology, Pasadena California, 2010 • Rüdorff W., Einlagerungsverbindungen mit Alkali- und Erdalkalimetallen, Angw. Chm. 71.,Nr. 15/16, 1959

  10. SyntheseAllgemeine Methoden Mehrere Methoden: • Interkalation flüssiger Interkalate • Verwendung einer Alkalimetall-Aminlösung (Donor-Interkalate) • Elektrochemisch • Gasphasentransport: Ein-Zonen Gasphasentransport Zwei-Zonen Gasphasentransport • Dissertation: Arthur Lovell, Tuneablegraphiteintercalatesfor hydrogen storage, September 2007 • M. S. Dresselhasuand G. Dresselhaus, Intercalation Compoundsof Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, 1-186 • L. B. Ebert, Intercalation Compoundsof Graphite, Annu. Rev. Mater. Sci., 6, 1976, 181-211

  11. Synthese der Kalium-GIC´s Tg = Temperatur des Graphits Ti = Temperatur des Metalls Tg = Temperatur des Graphits Ti = Temperatur des Metalls ? Kontrolle der Stufenbildung ? Kontrolle erfolgt über die Temperaturdifferenz: Tg - Ti K-GIC: Zwei-Zonen Gasphasentransport: • Abbildung: Dissertation: Arthur Lovell, Tuneablegraphiteintercalatesfor hydrogen storage, September 2007 • Dissertation: Arthur Lovell, Tuneablegraphiteintercalatesfor hydrogen storage, September 2007 • M. S. Dresselhasuand G. Dresselhaus, Intercalation Compoundsof Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, 1-186 • Abbildungen unten: M. S. Dresselhasuand G. Dresselhaus, Intercalation Compoundsof Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, 1-186

  12. Elektronische Eigenschaften Donor-GIC: Zusätzliche Elektronen im Leitungsband  Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration  Höhere elektrische Leitfähigkeit Kalium-GIC: Unvollständiger Ladungstransfer • Abbildung: Enoki T., Endo M., Graphite intercalationcompoundsandApplications, Oxford University Press: New York, 2003 • Enoki T., Endo M., Graphite intercalationcompoundsandApplications, Oxford University Press: New York, 2003 • D. D. L. Chung, Review Graphite, Journal of Materials Science, 37, 2002, 1475-1489 • H. Zabel et al., Graphite Intercalation Compounds II Transport and Electronic Properties, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1992 • M. S. Dresselhasuand G. Dresselhaus, Intercalation Compoundsof Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, 1-186 • C. Rigauxet al., Electronic Properties of Graphite Intercalation Compounds, Notes in Physixs Volume 152, 1982, 352-362

  13. Anwendungsgebiete von GIC´s • Hochleitende Materialien: Einlagerungsverbindungen mit Pentafluoriden (z.B.: SbF5, AsF5)  höhere Leitfähigkeit als Metallisches Kupfer • -Speicher • Batterietechnik: Li-Ionen-Akkus Anode: Li-Einlagerungsverbindung, max. 1 Li pro 6 C-Atomen Kathode: Li-Übergangsmetalloxid (LiMOx; M = Co, Ni, Mn) Reaktion: • M. Inagaki, Applicationsof Graphite Intercalation Compounds, j. Mater. Res., Vol. 4, No. 6, 1989, 1560 – 1568 • M. S. Dresselhasuand G. Dresselhaus, Intercalation Compoundsof Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, 1-186 • E. Riedel, C. Janiak, Anorganische Chemie mit DVD, 7. Auflage, Walter de Gruyter GmbH & Co. KG, Berlin, 2007

  14. Zusammenfassung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit • Interkalation = topotaktische Reaktion • Charakteristische Struktur = Staging-Phänomen • Drastische Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit im Vergleich zum nicht-interkalierten Graphit

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