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GRAPHITEINLAGERUNGS- VERBINDUNGEN Martin Rieß 16.07.2013 Hauptseminar AC V.

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Präsentation zum Thema: "GRAPHITEINLAGERUNGS- VERBINDUNGEN Martin Rieß 16.07.2013 Hauptseminar AC V."—  Präsentation transkript:

1 GRAPHITEINLAGERUNGS- VERBINDUNGEN Martin Rieß Hauptseminar AC V

2 Einführung Interkalationsverbindungen Struktur Synthese Elektronische Eigenschaften Anwendungsgebiete Gliederung

3 Einbringung einer Gast-Spezies in den Zwischenschichtraum eines schichtartigen Feststoffes unter Erhalt des schichtförmigen Aufbaus Interkalation Robert A. Schoonheydt et al., Pillared Clays and Pillared Layered Solids, Pure Appl. Chem., Vol. 71, No.12, 1999,

4 Graphit Abbildung: Rajatendu Sengupta et al, A review on the mechanical and electrical properties of graphite and modified graphite reinforced polymer composites, Progress in Polymer Science, 36, 2011, Björn Trauzettel, Von Graphit zu Graphen, Physik Journal 6, 7, 2007, D. D. L. Chung, Review Graphite, Journal of Materials Science, 37, 2002,

5 Graphit σ a (1/Ωcm)σ a /σ c Graphit2500 Kupfer/ 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 Rika Matsumoto et al., Thermoelectric Properties and Electrical Transport of Graphite Intercalation Compounds, Materials Transactions, Vol. 50, No. 7 (2009) pp to 1611

6 Graphit = Amphoter Reaktion mit Elektrondonatoren und Akzeptoren Bildung von 2 verschiedenen Charge-Transfer-Komplexen Graphiteinlagerungsverbindungen (GIC) Enoki T., Endo M., Graphite intercalation compounds and Applications, Oxford University Press: New York, 2003 Stumpp E., Chemistry of graphite intercalation compounds of the acceptor type, Physica105B, 1981, 9-16 M. S. Dresselhasu and G. Dresselhaus, Intercalation Compounds of Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, Donor-GIC: Alkalimetalle (Li, K, Rb, Cs); Erdalkalimetalle (Ca, Sr, Ba); Seltene Erden (Eu, Sm, Y); Akzeptor-GIC: Halogene (Br 2, Cl 2 ) ; Metallahlogenide (FeCl 3,…); Sauerstoffsäuren (H 2 SO 4, HNO 3 ); Oxide (N 2 O 5, SO 3,…);

7 Stufe12345 ZusammensetzungC8KC8KC 24 KC 36 KC 48 KC 60 K Farbebronzestahlblaudunkelblauschwarz Alkalimetallgraphitverbindungen am Beispiel von Kalium Riedel E., Janiak C., Anorganische Chemie mit DVD, 7. Auflage, Walter de Gruyter GmbH & Co. KG, Berlin, 2007 Abbildung links: Dissertation: Arthur Lovell, Tuneable graphite intercalates for hydrogen storage, September 2007 Abbildung rechts: (Stand: ) KC 8 KC 24

8 Struktur der Graphit- Interkalationsverbindungen (GIC) Abbildung links: v1.0m/section_25/eb59f989d8512ae34d783b50b3e6a97b.jpg (Stand: ) Abbildung rechts: Riedel E. Janiak C., Anorganische Chemie, 8. Auflage, Walter de Gruyter GmbH & Co. KG, Berlin, 2011 M. S. Dresselhasu and G. Dresselhaus, Intercalation Compounds of Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, 1-186

9 Zusammensetzung 1. Stufe5.41 = Stufe8.76 = Stufe12.12 = Struktur der K-GIC´s Abbildung: Purewal Justin, Hydrogen Adsorption by Alkali Metal Graphite Intercalation Compounds, Doctor Thesis, California Institute of Technology, Pasadena California, 2010 Rüdorff W., Einlagerungsverbindungen mit Alkali- und Erdalkalimetallen, Angw. Chm. 71.,Nr. 15/16, 1959 I C = Identitätsperiode –> X-Ray- Diffraktion –> I C (Å) = d S Å(n-1); ( d S = Abstand zweier einzelner Graphitschichten, die durch eine Interkalatschicht voneinander getrennt sind) Identifizierung der Stufe erfolgt durch Röntgendiffraktometrie (00l) nλ = 2dsin(θ)

10 Mehrere Methoden: Interkalation flüssiger Interkalate Verwendung einer Alkalimetall-Aminlösung (Donor-Interkalate) Elektrochemisch Gasphasentransport: – Ein-Zonen Gasphasentransport – Zwei-Zonen Gasphasentransport Synthese Allgemeine Methoden Dissertation: Arthur Lovell, Tuneable graphite intercalates for hydrogen storage, September 2007 M. S. Dresselhasu and G. Dresselhaus, Intercalation Compounds of Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, L. B. Ebert, Intercalation Compounds of Graphite, Annu. Rev. Mater. Sci., 6, 1976,

11 ? Kontrolle der Stufenbildung ? K-GIC: Zwei-Zonen Gasphasentransport: Synthese der Kalium-GIC´s Abbildung: Dissertation: Arthur Lovell, Tuneable graphite intercalates for hydrogen storage, September 2007 Dissertation: Arthur Lovell, Tuneable graphite intercalates for hydrogen storage, September 2007 M. S. Dresselhasu and G. Dresselhaus, Intercalation Compounds of Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, Abbildungen unten: M. S. Dresselhasu and G. Dresselhaus, Intercalation Compounds of Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, T g = Temperatur des Graphits T i = Temperatur des Metalls Kontrolle erfolgt über die Temperaturdifferenz: T g - T i T g = Temperatur des Graphits T i = Temperatur des Metalls

12 Elektronische Eigenschaften Abbildung: Enoki T., Endo M., Graphite intercalation compounds and Applications, Oxford University Press: New York, 2003 Enoki T., Endo M., Graphite intercalation compounds and Applications, Oxford University Press: New York, 2003 D. D. L. Chung, Review Graphite, Journal of Materials Science, 37, 2002, H. Zabel et al., Graphite Intercalation Compounds II Transport and Electronic Properties, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 1992 M. S. Dresselhasu and G. Dresselhaus, Intercalation Compounds of Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, C. Rigaux et al., Electronic Properties of Graphite Intercalation Compounds, Notes in Physixs Volume 152, 1982, Donor-GIC: Zusätzliche Elektronen im Leitungsband Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration Höhere elektrische Leitfähigkeit Kalium-GIC: Unvollständiger Ladungstransfer σ a (1/Ωcm) σ a /σ c Graphit2500 KC 8 34 KC C 16 AsF 5 Kupfer/

13 Anwendungsgebiete von GIC´s M. Inagaki, Applications of Graphite Intercalation Compounds, j. Mater. Res., Vol. 4, No. 6, 1989, 1560 – 1568 M. S. Dresselhasu and G. Dresselhaus, Intercalation Compounds of Graphite, Adv. Phys., 51, 2002, E. Riedel, C. Janiak, Anorganische Chemie mit DVD, 7. Auflage, Walter de Gruyter GmbH & Co. KG, Berlin, 2007

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


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