Academic literature on the topic 'Bismut(III)-oxid'

In dieser Arbeit wird die Beschichtung von Substraten mit Hilfe einer Ultraschallsprühanlage beschrieben. Es wurden Dispersionen aus Siliziumnanopartikeln und Organosiliziumpräkursoren genutzt, um Beschichtungen mit verschiedenen Dicken im Bereich von einigen hundert Nanometern bis zu mehreren Mikrometern auf verschiedenen metallischen Substraten zu erzeugen. Anschließend wurden diese der Blitzlampentemperung (FLA) unterzogen. Bei dünnen Beschichtungen mit Dicken von ca. 19 µm wurden nach der Blitzlampentemperung Filme auf dem Substrat erzeugt. Es wurden unterschiedliche Objektgrößen nach der Blitzlampentemperung in Abhängigkeit von dem Umgebungsdruck und der Pulslänge beobachtet. Bei dickeren Beschichtungen mit Dicken von ca. 38 µm bzw. 57 µm wurden selbstablösende Folien aus Silizium bei moderaten Pulsenergien von 4 J/cm² und durch das Anlegen von 5∙10-3 mbar Unterdruck während der Blitzlampentemperung hergestellt. Durch die Verwendung von Pulslängen mit 17,5 ms und Energien von bis zu 60 J/cm² wurden aus den ca. 38 µm dicken Beschichtungen nach der Blitzlampentemperung durch Übertragung auf ein Molybdänsubstrat ultradünne Siliziumschichten mit 280 nm Schichtdicke erzeugt. Mit Hilfe von Siliziumpresslingen wurde die maximale Eindringtiefe der Energie bei der Blitzlampentemperung ermittelt. Diese wurden bei verschiedenen Pulslängen und Energien mit der Blitzlampe getempert. Durch das Brechungsvermögen der Presslinge wurde an diesen sowohl die Oberfläche als auch durch Querschnittsaufnahmen die Sinterung bzw. das Schmelzen in der Tiefe nach der Blitzlampentemperung untersucht. Der Einfluss der Blitzlampentemperung auf die Polymorphie und die Kristallinität von Bis-mut(III)oxiden wurde untersucht. Die Charakterisierung der Siliziumfolien, Siliziumschichten und Siliziumpresslinge als auch der Bismut(III)oxide erfolgte unter anderem mittels Röntgenpulverdiffraktometrie, Rasterelektronenmikroskopie sowie Röntgenphotoelektronenspektroskopie.

Die vorliegende Arbeit ist auf die Synthese und Charakterisierung von Bismutoxidoclustern als Vorstufen zur Darstellung Bismut(III)-basierter Halbleiter fokussiert, gefolgt von den Untersuchungen zum photoinduzierten Abbau von Schadstoffen in wässriger Lösung unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht in Anwesenheit der dargestellten Halbleiter. Bismut(III)-nitrat wird durch Hydrolyse und Kondensation in Lösung unter kontrollierten Bedingungen zu mehrkernigen Bismutoxidonitratclustern der Form [Bi38O45(NO3)24(DMSO)28+δ] umgesetzt. In der Anwesenheit von Cer(III)-nitrat erfolgt die Synthese eines heterometallischen Bismutoxidonitratclusters der Form [Bi38O45(NO3)24(DMSO)28+δ]:Ce, welcher zur Darstellung von Cer-dotiertem Bismut(III)-oxid geeignet ist. Der gezielte Ligandenaustausch an Bismutoxidonitratclustern liefert unter Erhalt der Clusterkernstruktur die bislang größten Iodid-funktionalisierten Bismutoxidocluster, z.B. [Bi38O46I21(NO3)(DMSO)19.5]. Die Darstellung von Bismut(III)-basierten Halbleitern erfolgt sowohl im Mikrowellenreaktor unter hydro- und solvothermalen Bedingungen als auch über die Hydrolyse ausgewählter Vorstufen bei Raumtemperatur, gefolgt von der thermischen Zersetzung im Festkörper. Aufgrund der Reaktivität der alkalischen Reaktionsmischung der Bismut(III)-haltigen Vorstufe mit SiO2-basierten Glasgeräten unter der Bildung von Bi12SiO20 – einer Verbindung vom Sillenit-Strukturtyp – erfolgen detaillierte Untersuchungen zur Unterscheidung vom isomorphen γ-Bi2O3 (Sillenit). Die Umsetzung von Bismutoxidoclustern mit Schwefel-, Selen- und Rhenium-haltigen Zusätzen führt zur Stabilisierung neuartiger kubischer Mischoxide der Form δ-Bi2O3:M (M = S, Se, Re). Im System Bi2O3–TeO3–Na2O wird u.a. eine neue Verbindung vom doppelten Perowskit-Strukturtyp erhalten. Die neuartigen Bismutoxidoiodidcluster werden durch die kontrollierte thermische Zersetzung in verschiedene Bismut(III)-oxidiodide überführt. Die erhaltenen Bismut(III)-basierten Halbleiter eignen sich für den photoinduzierten Abbau von organischen Schadstoffen – wie Rhodamin B und Triclosan – in wässriger Lösung unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht. Die Charakterisierung der dargestellten Verbindungen erfolgt unter anderem mit Pulverröntgendiffraktometrie, Einkristall-Röntgenbeugung, Infrarot- und Raman-Spektroskopie, Kernspinresonanzspektroskopie, CHNS- und CHN-Analyse, Rasterelektronenmikroskopie, Energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Elektrosprayionisations-Massenspektrometrie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie sowie der Thermogravimetrischen Analyse und der Dynamischen Differenzkalorimetrie.

In der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten der Stabilisierung und die photokatalytische Aktivität von Polymorphen des Bismut(III)-oxids, synthetisiert ausgehend von nanoskaligen, polynuklearen Bismutoxidoclustern, beschrieben. Hydrolyse- und Kondensationsstudien werden mit dem Ziel der Aufklärung von Bildungsprozessen von Bismutoxidoclustern ausgehend von bismutnitrat- und bismutsilanolathaltigen Lösungen durchgeführt. Basierend auf polynuklearen Modellverbindungen wird durch deren Hydrolyse und anschließende thermische Behandlung die Darstellung von Nanopartikeln von verschiedenen Polymorphen des Bismut(III)-oxids erreicht. Die Reaktivität der synthetisierten β Bi2O3 Nanopartikel wird zur Synthese von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp ausgenutzt. Diese Verbindungen sind isostrukturell zum metastabilen γ-Bi2O3. Die isolierten oxidischen Materialien weisen eine hohe photokatalytische Aktivität gegenüber wässrigen Rhodamin B Lösungen bei der Bestrahlung mit sichtbarem Licht auf. Für die β Bi2O3 Nanopartikel wird ebenso die photokatalytische Aktivität gegenüber wässrigen Farbstofflösungen von Indigokarmin, Orange G, Methylorange und Methylenblau sowie wässrigen Schadstofflösungen von Phenol, 4-Chlorphenol, 2,4-Dichlorphenol, 4-Nitrophenol, Triclosan und Ethinylestradiol beschrieben. Die Charakterisierung der synthetisierten Verbindungen erfolgte unter anderem mittels Einkristall-Röntgenstrukturanalyse, Röntgenpulverdiffraktometrie, NMR-Spektroskopie, FTICR-ESI-Massenspektrometrie, UV/Vis-, Infrarot- und Ramanspektroskopie sowie thermischen Analysemethoden<br>The present essay describes the stabilization and photocatalytic activity of different polymorphs of bismuth(III) oxide which were prepared starting from nanoscaled, polynuclear bismuth oxido clusters. Hydrolysis and condensation processes of bismuth nitrate as well as bismuth silanolates in solution were performed to provide an insight into the formation process of bismuth oxido clusters. Nanoparticles of different polymorphs of bismuth(III) oxide were obtained by hydrolysis, followed by annealing steps at temperatures of 370 °C and 600 °C starting from polynuclear bismuth compounds, respectively. The high reactivity of the as-prepared β-Bi2O3 nanoparticles was used to synthesize sillenite-type compounds at rather low temperatures which are isostructural to metastable γ-Bi2O3. The isolated oxidic materials show promising photocatalytic activities exemplified by the degradation of aqueous Rhodamine B solutions under visible light irradiation. Additionally, the β- Bi2O3 nanoparticles were tested in photodegradation processes of aqueous solutions containing different dyes such as indigo carmine, orange G, methyl orange and methylene blue as well as typical organic pollutants such as phenol, 4-chlorophenol, 2,4-dichlorophenol, 4-nitrophenol, triclosan and ethinyl estradiol. The characterization of the as-prepared materials was performed using single crystal X-ray diffraction, powder X-ray diffraction analysis, NMR spectroscopy, FTICR- electrospray ionization mass spectrometry, UV/Vis-, IR- and Raman spectroscopy, electron microscopy, nitrogen physisorption as well as thermal analyses

In dieser Arbeit wird die Beschichtung von Substraten mit Hilfe einer Ultraschallsprühanlage beschrieben. Es wurden Dispersionen aus Siliziumnanopartikeln und Organosiliziumpräkursoren genutzt, um Beschichtungen mit verschiedenen Dicken im Bereich von einigen hundert Nanometern bis zu mehreren Mikrometern auf verschiedenen metallischen Substraten zu erzeugen. Anschließend wurden diese der Blitzlampentemperung (FLA) unterzogen. Bei dünnen Beschichtungen mit Dicken von ca. 19 µm wurden nach der Blitzlampentemperung Filme auf dem Substrat erzeugt. Es wurden unterschiedliche Objektgrößen nach der Blitzlampentemperung in Abhängigkeit von dem Umgebungsdruck und der Pulslänge beobachtet. Bei dickeren Beschichtungen mit Dicken von ca. 38 µm bzw. 57 µm wurden selbstablösende Folien aus Silizium bei moderaten Pulsenergien von 4 J/cm² und durch das Anlegen von 5∙10-3 mbar Unterdruck während der Blitzlampentemperung hergestellt. Durch die Verwendung von Pulslängen mit 17,5 ms und Energien von bis zu 60 J/cm² wurden aus den ca. 38 µm dicken Beschichtungen nach der Blitzlampentemperung durch Übertragung auf ein Molybdänsubstrat ultradünne Siliziumschichten mit 280 nm Schichtdicke erzeugt. Mit Hilfe von Siliziumpresslingen wurde die maximale Eindringtiefe der Energie bei der Blitzlampentemperung ermittelt. Diese wurden bei verschiedenen Pulslängen und Energien mit der Blitzlampe getempert. Durch das Brechungsvermögen der Presslinge wurde an diesen sowohl die Oberfläche als auch durch Querschnittsaufnahmen die Sinterung bzw. das Schmelzen in der Tiefe nach der Blitzlampentemperung untersucht. Der Einfluss der Blitzlampentemperung auf die Polymorphie und die Kristallinität von Bis-mut(III)oxiden wurde untersucht. Die Charakterisierung der Siliziumfolien, Siliziumschichten und Siliziumpresslinge als auch der Bismut(III)oxide erfolgte unter anderem mittels Röntgenpulverdiffraktometrie, Rasterelektronenmikroskopie sowie Röntgenphotoelektronenspektroskopie.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis V Abbildungsverzeichnis VII Tabellenverzeichnis XIV 1 Einleitung und Motivation 1 2 Grundlagen 3 2.1 Schichten und Filme aus Silizium 3 2.2 Bismut(III)-oxid 6 2.2.1 Polymorphismus des Bismut(III)-oxid 6 2.2.2 Anwendungen der Bismut(III)-oxide 7 2.3 Abscheidemethoden für dünne Schichten 9 2.3.1 Abscheidung von Schichten aus der Gasphase 9 2.3.1.1 Chemische Gasphasenabscheidung 9 2.3.1.2 Atomlagenabscheidung 10 2.3.1.3 Physikalische Gasphasenabscheidung 12 2.3.2 Abscheidung von Schichten aus Lösungen 12 2.3.2.1 Rotationsbeschichtung 13 2.3.2.2 Tauchbeschichtung 14 2.3.2.3 Ultraschallsprühbeschichtung 15 2.3.2.3.1 Geschichte der Ultraschallsprühbeschichtung 15 2.3.2.3.2 Mechanismus der Tropfenbildung 15 2.3.2.3.3 Anwendungen der Sprühbeschichtung 17 2.4 Vergleich von Kristallisationsmethoden 19 2.4.1 Konventionelle Kristallisation durch Aufheizen im Ofen 19 2.4.2 Blitzlampenschmelzen 20 2.4.2.1 Funktionsweise der Xenonblitzlampe 21 2.4.2.2 Lichtspektrum der Xenonlampen 21 2.4.3 Kristallisation durch Laser 22 2.5 Kombination von Sprühbeschichtung mit Blitzlampentemperung 23 3 Methoden zur Charakterisierung 24 3.1 NMR Spektroskopie 24 3.2 Röntgenpulverdiffraktometrie 24 3.3 Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenbeugung 24 3.4 Transmissionselektronenmikroskopie 25 3.5 Infrarotspektroskopie 25 3.6 Diffuse Reflektions-Infrarot-Fourier-Transformations Spektroskopie 25 3.7 Ellipsometrie 25 3.8 Röntgenphotoelektronenspektroskopie 26 3.9 Vier-Punkt Widerstandsmessungen 26 4 Experimenteller Teil 28 4.1 Synthese von Edukten 28 4.2 Ätzen von Siliziumnanopartikeln 29 4.2.1 Hinweis zum Umgang mit Flusssäure 29 4.2.2 Flusssäurebehandlung von Siliziumnanopartikeln 30 4.3 Abscheidungen durch Ultraschallsprühbeschichtung 30 4.3.1 Dispersionen mit Siliziumnanopartikeln für die Ultraschallsprühbeschichtung 32 4.4 Herstellung von Presslingen 33 4.5 Photothermische Behandlung der dünnen Schichten 34 5 Ergebnisse und Diskussion 36 5.1 Siliziumnanopartikel 36 5.2 Bestimmungen der Eindringtiefe der Blitzlampentechnik an Siliziumpresslingen 41 5.3 Siliziumdispersionen und Abscheidungen mit der Ultraschallsprühanlage 46 5.4 Sauerstoffempfindlichkeit der Beschichtungen während der Blitzlampentemperung 51 5.5 Blitzlampentemperung von Beschichtungen zu haftenden Filmen auf Substraten 54 5.6 Siliziumabscheidungen auf verschiedenen Substraten 59 5.7 Blitzlampentemperung von Siliziumbeschichtungen zu freistehenden Folien 64 5.8 Ultradünne Siliziumschichten auf Molybdän durch Blitzlampentemperung 77 5.9 Einfluss der Blitzlampentemperung auf Bismut(III)-oxid 83 5.9.1 Blitzlampentemperung von amorphem Bismutoxid 83 5.9.2 Blitzlampentemperung von α Bi2O3 92 5.9.3 Blitzlampentemperung von β Bi2O3 93 5.9.4 Schlussfolgerung für die Blitzlampentemperung von Bismut(III)-oxiden 94 6 Zusammenfassung 95 7 Literaturverzeichnis 99 8 Anhang 104 Selbstständigkeitserklärung 110 Curriculum Vitae 111 Publikationen und Tagungsbeiträge 112

In der vorliegenden Arbeit werden eine neue mikrowellenassistierte Darstellungsmethode für Bismutvanadatnanopartikel ebenso wie ein ultraschallgestütztes Sprühverfahren zur Abscheidung von Bismut(III)-oxidschichten beschrieben. Nanopartikuläres m-BiVO4 wird durch die Umsetzung von Bi(OtBu)3 mit VO(OtBu)3 unter Zugabe von polymersierbaren Alkoholen, nicht polymerisierbaren Alkoholen sowie ohne Zusätze in einer nichtwässrigen Lösung gefolgt von einer thermischen Oxidation erhalten. Anschließend werden die Nanopartikel hinsichtlich ihrer Eigenschaften verglichen. Ausgehend von einem polynuklearen Bismutoxidocluster wird über ultraschallgestütztes Kaltsprühen, einer sich anschließenden kontrollierten Hydrolyse und einer finalen thermischen Behandlung die Beschichtung verschiedener Substrate mit α-Bi2O3, β-Bi2O3 sowie α/β-Bi2O3 erreicht. Die Charakterisierung der synthetisierten Materialien erfolgt unter anderem mittels Pulverröntgendiffraktometrie, NMR-Spektroskopie, CHN-Analysen, UV/VIS-, IR- und Ramanspektroskopie, thermogravimetrischen Analysen sowie elektronenmikrospische Aufnahmen. Zusätzlich werden die Halbleiterschichten mit einer Wirbelstromsonde vermessen. Die bismuthaltigen Halbleitermaterialien sind im sichtbaren Lichtspektrum anregbar und weisen eine hohe photokatalytische Aktivität beim Abbau von Rhodamin B auf, wobei die zugrunde liegenden Abbaumechanismen UV/VIS-spektroskopisch aufgeklärt werden. Darüber hinaus werden die Photokatalysatoraktivitäten gegenüber wässrigen Lösungen von Methylorange, Orange G, Methylenblau sowie Schadstofflösungen des Biozids Triclosan und des pharmazeutischen Wirkstoffs Ethinylestradiol diskutiert, deren photokatalytische Zersetzung ergänzend mit TOC-Analysen verfolgt wird.:Abkürzungsverzeichnis.....11 1 Einleitung und Motivation.....15 2 Grundlagen der Photokatalyse.....21 2.1 Photokatalyse mit Halbleitern.....21 2.1.1 Definition und Unterteilung von Photokatalysatoren.....21 2.1.2 Funktionsweise, Eigenschaften und weitere Anwendungsfelder von Halbleiterphotokatalysatoren.....22 2.1.3 Cokatalysatoren in der Photokatalyse.....26 2.1.4 Photokatalysatoren mit Heteroübergang.....28 2.2 Photokatalytischer Abbau von organischen Substanzen.....29 2.2.1 Grundlagen zu Reaktionspfaden und aktiven Spezies.....29 2.2.2 Mechanismen und Kinetik der photokatalytischen Zersetzung am Beispiel von Rhodamin B.....32 2.3 Bismutvanadat als Photokatalysator.....38 2.4 Bismut(III)-oxid als Photokatalysator.....41 3 Photokatalytische Untersuchungen an Bismutvanadatnanopartikeln aus mikrowellenassistierten Synthesen.....47 3.1 Synthesemethoden für Metalloxidnanostrukturen und Voruntersuchungen zur nichtwässrigen Darstellung von nanoskaligem Bismutvanadat.....47 3.2 Darstellung von Bismutvanadatnanopartikeln über die Umsetzung von Bismut(III)-alkoxiden und Vanadium(V)-alkoxiden im Mikrowellenreaktor.....53 3.2.1 Umsetzung von Bismut(III)-alkoxiden und Vanadium(V)-alkoxiden im Mikrowellenreaktor.....53 3.2.2 Darstellung von Bismutvanadatnanopartikeln durch thermische Oxidation der Materialien MW-II – MW-V.....57 3.3 Photokatalytische Untersuchungen an monoklinen Bismutvanadatnanopartikeln .....61 3.3.1 Untersuchungen zu den photoinduzierten Abbaumechanismen von Rhodamin B mit Bismutvanadatnanopartikeln.....61 3.3.2 Vergleich der photokatalytischen Aktivität von BiVO4-II – BiVO4-V und photokatalytische Untersuchungen zum Abbau weiterer Farbstoffe.....65 4 Photokatalytische Untersuchungen an Bismut(III)-oxidschichten aus einem ultraschallgestützten Sprühverfahren.....72 4.1 Darstellungsmethoden für β-Bismut(III)-oxidschichten.....72 4.2 Darstellung, Modifizierung und photokatalytische Untersuchungen von α- und β- Bismut(III)-oxidschichten aus einem ultraschallgestützten Sprühverfahren.....76 4.2.1 Darstellung von α- und β-Bismut(III)-oxidschichten über ein ultraschallgestütztes Sprühverfahren ausgehend von [Bi38O45(OMc)24(DMSO)9]·2DMSO·7H2O und deren photokatalytische Untersuchung.....76 4.2.2 Modifizierung der Präparationsmethode und die photokatalytische Zersetzung von Schadstoffen mit optimierten β-Bismut(III)-oxidschichten.....84 4.2.3 Darstellung von Au/β-Bismut(III)-oxidschichten und deren photokatalytische Untersuchung.....94 4.3 Darstellung und photokatalytische Untersuchungen von α/β-Bismut(III)- oxidschichten aus einem ultraschallgestützten Sprühverfahren.....99 4.3.1 Darstellung von α/β-Bismut(III)-oxidschichten über ein ultraschallgestütztes Sprühverfahren ausgehend von [Bi38O45(OMc)24(DMSO)9]·2DMSO·7H2O.....99 4.3.2 Photokatalytische Untersuchungen an α/β-Bismut(III)-oxidschichten.....104 5 Zusammenfassung und Ausblick.....108 6 Experimenteller Teil.....116 6.1 Eingesetzte Chemikalien und Arbeitstechniken.....116 6.2 Verwendete Gerätetechnik.....116 6.3 Umsetzungen von Alkoxiden und Chloriden des Bismut(III) und Vanadium(V) mit und ohne Zusatz von Alkoholen.....122 6.3.1 Umsetzung von Bi(OtBu)3 und VO(OtBu)3 in Benzylalkohol unter Rückfluss (RF-I).....122 6.3.2 Umsetzung von BiCl3 und VOCl3 in Benzylalkohol unter Rückfluss (RF-II)..123 6.3.3 Umsetzung von Bi(OtBu)3 und VO(OtBu)3 in Benzylalkohol im Mikrowellenreaktor (MW-I).....123 6.3.4 Umsetzung von Bi(OtBu)3, VO(OtBu)3 und 2-Methoxybenzylalkohol im Mikrowellenreaktor (MW-II).....123 6.3.5 Umsetzung von Bi(OtBu)3, VO(OtBu)3 und 2,4-Dimethoxybenzylalkohol im Mikrowellenreaktor (MW-III).....124 6.3.6 Umsetzung von Bi(OtBu)3, VO(OtBu)3 und 2-(Thiophen-2-yl)propan-2-ol im Mikrowellenreaktor (MW-IV).....124 6.3.7 Umsetzung von Bi(OtBu)3 und VO(OtBu)3 im Mikrowellenreaktor (MW-V)...125 6.4 Darstellung von BiVO4 durch thermische Oxidation der Materialien MW-II – MW-V.....125 6.5 Darstellung der Bismut(III)-oxidschichten über ein ultraschallgestütztes Sprühverfahren.....126 6.5.1 β-Bi2O3-Schichten ausgehend von [Bi38O45(OMc)24(DMSO)9]·2DMSO·7H2O.....126 6.5.2 α-Bi2O3-Schichten ausgehend von [Bi38O45(OMc)24(DMSO)9]·2DMSO·7H2O.....127 6.5.3 Au/β-Bi2O3-Schichten ausgehend von β-Bi2O3-Schichten mittels Photodeposition.....127 6.5.4 α/β-Bi2O3-Schichten ausgehend von [Bi38O45(OMc)24(DMSO)9]·2DMSO·7H2O.....128 6.6 Photokatalytische Untersuchungen.....128 7 Literaturverzeichnis.....131 8 Anhang.....159 Curriculum Vitae.....177 Publikationsverzeichnis.....178 Tagungsbeiträge.....179 Selbstständigkeitserklärung.....181