Nanoglasige Oxide via Mechanochemie: Bildungsmechanismus, lokale Struktur, funktionelle Eigenschaften und thermische Stabilität

• Antragsteller: Dr. Vladimir Sepelák
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286123581

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Neuartige nanoglasige komplexe Oxide unterschiedlicher Strukturtypen (Pyroxen, Mullit, Perowskit, Spinell, Fluorit, Granat) werden mittels mechanochemischer Verfahren hergestellt. Der Einsatz einer Vielzahl umfassender spektroskopischer Techniken ermöglicht es, detaillierte, komplementäre Einblicke auf atomarer Ebene in die Natur der lokalen strukturellen Fehlordnung der Nanooxide zu gewinnen. Es wurde festgestellt, dass Grenzflächenbereiche der Nanomaterialien verschiedene strukturelle und magnetische Fehlordnungsphänomene aufweisen. Dazu zählen verzerrte Struktureinheiten, gegeneinander geneigte Polyeder, aufgebrochene polyedrische Bindungen, reduzierte Sauerstoffkoordination von Metallkationen, Kationen-Anti-Site-Fehlordnung, Sauerstoffleerstellen, zufällige Kationenverteilung über die verfügbaren Kristallplätze, nichtkollineare Spin-Anordnung, sowie der Zusammenbruch des langreichweitigen Magnetismus. Der Mechanismus der mechanisch herbeigeführten Bildungsreaktionen von Nichtgleichgewichts-Oxidphasen wird auf die stoßinduzierten Keimbildungs- und Wachstumsprozesse zurückgeführt, die räumlich auf stark ungeordnete und reaktive Bereiche beschränkt sind. Die mechanochemisch hergestellten nanostrukturierten Oxide, die fern des energetischen Gleichgewichtszustandes sind, weisen einzigartige makroskopische funktionelle Eigenschaften auf, die auf herkömmlichen Synthesewegen nicht erreichbar sind. Der Schwerpunkt liegt auf der Erklärung des Zusammenspiels zwischen der lokalen strukturellen Fehlordnung von Nanooxiden und ihrem makroskopischen, magnetischen und elektrochemischen Verhalten. Der Bereich der thermischen Stabilität von nanoglasigen Oxiden wird durch Untersuchungen ihrer Reaktion auf Temperaturänderungen bestimmt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Electrochemical properties of spinel Li4Ti5O12 nanoparticles prepared via a low-temperature solid route. Journal of Solid State Electrochemistry, 20(10), 2673–2683.
  Senna, Mamoru; Fabián, Martin; Kavan, Ladislav; Zukalová, Markéta; Briančin, Jaroslav; Turianicová, Erika; Bottke, Patrick; Wilkening, Martin & Šepelák, Vladimír
  
• Structural characterization of (Bi1-xGdx)14W2O27(x= 0.00 and 0.05) synthesized via mechano-thermal treatment. Integrated Ferroelectrics, 174(1), 56-62.
  Santiago, R. T.; Vieira, D. S.; Biagio, R. L.; Camargo, V. G.; Machado, C. F. C.; Fabián, M.; da Silva, K. L. & Šepelák, V.
  
• Combined mechanochemical/thermal synthesis of microcrystalline pyroxene LiFeSi2O6 and one-step mechanosynthesis of nanoglassy LiFeSi2O6−based composite. Journal of Alloys and Compounds, 707, 310-314.
  Turianicová, Erika; Witte, Ralf; Da Silva, Klebson L.; Zorkovská, Anna; Senna, Mamoru; Hahn, Horst; Heitjans, Paul & Šepelák, Vladimír
  
• The milling effect on nickel ferrite particles studied using magnetization measurements and Mössbauer spectroscopy. Hyperfine Interactions, 239(1).
  Ushakov, M. V.; Oshtrakh, M. I.; Chukin, A. V.; Šepelák, V.; Felner, I. & Semionkin, V. A.
  
• Local structure analysis of Bi2(Ga1-Fe )4O9 mullite-type solid solutions synthesized via combination of ball milling and thermal treatment. Solid State Sciences, 82, 106-110.
  Santiago, Rafael T.; Fabián, Martin; Šepelák, Vladimír; Cotica, Luiz F.; Santos, Ivair A.; Machado, Carla C.F.; Hahn, Horst; Becker, Klaus D. & da Silva, Klebson L.
  
• Mechanochemical syntheses of LiFeGe2O6-based nanocomposite and novel nanoglassy LiFeTi2O6. Journal of Materials Science, 53(19), 13530-13537.
  Tóthová, Erika; Witte, Ralf; Hegedüs, Michal; Senna, Mamoru; Hahn, Horst; Heitjans, Paul & Šepelák, Vladimír
  
• Mechanochemically processed zinc ferrite nanoparticles: Evolution of structure and impact of induced cation inversion. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 465, 603-610.
  Harris, Vincent G. & Šepelák, Vladimir
  
• Evidence of Tetrahedrally Coordinated Nickel Cations in Nanostructured NiFe2O4. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 19(6), 3654-3657.
  Fabián, Martin; Harničárová, Marta; Valíček, Jan; Da Silva, Klebson L.; Hahn, Horst; Šepelák, Vladimír; Lesňák, Michal & Kušnerová, Milena
  
• Preface. Materials Today: Proceedings, 12(2019), 1-2.
  Shakhtshneider, Tatyana P.; Dudina, Dina V.; Lyakhov, Nikolay Z. & Šepelák, Vladimir
  
• A sustainable reaction process for phase pure LiFeSi2O6 with goethite as an iron source. Ceramics International, 46(10), 14894-14901.
  Skurikhina, O.; Senna, M.; Fabián, M.; Witte, R.; Tarasenko, R.; Tkáč, V.; Orendáč, M.; Kaňuchová, M.; Girman, V.; Harničárová, M.; Valíček, J.; Šepelák, V. & Tóthová, E.
  
• A novel high entropy spinel-type aluminate MAl2O4 (M = Zn, Mg, Cu, Co) and its lithiated oxyfluoride and oxychloride derivatives prepared by one-step mechanosynthesis. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 236(6-8), 713-726.
  Porodko, Olena; Fabián, Martin; Kolev, Hristo; Lisnichuk, Maksym; Zukalová, Markéta; Vinarčíková, Monika; Girman, Vladimír; Da Silva, Klebson Lucenildo & Šepelák, Vladimír
  
• Disordered Gd6UO12-δ with the cation antisite defects prepared by a combined mechanochemical−thermal method. Journal of Nuclear Materials, 549, 152895.
  Darin, G.; Imakuma, K.; Santiago, R.T.; Da Silva, K.L.; Cótica, L.F.; Fabián, M.; Valíček, J.; Hahn, H. & Šepelák, V.
  
• High-entropy energy materials: challenges and new opportunities. Energy & Environmental Science, 14(5), 2883-2905.
  Ma, Yanjiao; Ma, Yuan; Wang, Qingsong; Schweidler, Simon; Botros, Miriam; Fu, Tongtong; Hahn, Horst; Brezesinski, Torsten & Breitung, Ben
  
• Mechanochemical synthesis of novel rutile-type high entropy fluorides for electrocatalysis. Journal of Materials Chemistry A, 9(14), 8998-9009.
  Sukkurji, Parvathy Anitha; Cui, Yanyan; Lee, Seunghwa; Wang, Kai; Azmi, Raheleh; Sarkar, Abhishek; Indris, Sylvio; Bhattacharya, Subramshu S.; Kruk, Robert; Hahn, Horst; Wang, Qingsong; Botros, Miriam & Breitung, Ben
  
• Nanostructure and magnetic anomaly of mechanosynthesized Ce1-xYxO2-δ (x ≤ 0.3) solid solutions. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 148, 109673.
  Fabián, Martin; Menzel, Dirk; Yermakov, Anatoly Ye; Kolev, Hristo; Kaňuchová, Mária; Shi, Jianmin; Kováč, Jaroslav; Kostova, Nina; Da Silva, Klebson L.; Senna, Mamoru; Harničárová, Marta; Valíček, Jan; Hahn, Horst & Šepelák, Vladimír
  
• Suppression of the Cycloidal Spin Arrangement in BiFeO3 Caused by the Mechanically Induced Structural Distortion and Its Effect on Magnetism. Frontiers in Materials, 8.
  Da Silva, Klebson Lucenildo; Trautwein, Rafael Santiago; Da, Silva Rodolfo Bezerra; Fabián, Martin; Čižmár, Erik; Holub, Mariia; Skurikhina, Olha; Harničárová, Marta; Girman, Vladimír; Menzel, Dirk; Becker, Klaus Dieter; Hahn, Horst & Šepelák, Vladimír
  
• Unusual cation coordination in nanostructured mullites. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 236(6-8), 697-712.
  Šepelák, Vladimir; Da Silva, Klebson Lucenildo; Trautwein, Rafael Santiago; Becker, Klaus Dieter & Hahn, Horst
  
• A Unique Mechanochemical Redox Reaction Yielding Nanostructured Double Perovskite Sr2FeMoO6 With an Extraordinarily High Degree of Anti-Site Disorder. Frontiers in Chemistry, 10.
  Tóthová, Erika; Düvel, André; Witte, Ralf; Brand, Richard A.; Sarkar, Abhishek; Kruk, Robert; Senna, Mamoru; Da Silva, Klebson Lucenildo; Menzel, Dirk; Girman, Vladimír; Hegedüs, Michal; Baláž, Matej; Makreski, Petre; Kubuki, Shiro; Kaňuchová, Mária; Valíček, Jan; Hahn, Horst & Šepelák, Vladimír
  
• Embracing disorder in solid-state batteries. Science, 378(6626), 1273-1274.
  Botros, Miriam & Janek, Jürgen
  
• High entropy fluorides as conversion cathodes with tailorable electrochemical performance. Journal of Energy Chemistry, 72, 342-351.
  Cui, Yanyan; Sukkurji, Parvathy Anitha; Wang, Kai; Azmi, Raheleh; Nunn, Alexandra M.; Hahn, Horst; Breitung, Ben; Ting, Yin-Ying; Kowalski, Piotr M.; Kaghazchi, Payam; Wang, Qingsong; Schweidler, Simon & Botros, Miriam
  
• Synthesis of perovskite-type high-entropy oxides as potential candidates for oxygen evolution. Frontiers in Energy Research, 10.
  Schweidler, Simon; Tang, Yushu; Lin, Ling; Karkera, Guruprakash; Alsawaf, Alaa; Bernadet, Lucile; Breitung, Ben; Hahn, Horst; Fichtner, Maximilian; Tarancón, Albert & Botros, Miriam
  
• Infrared and Raman spectroscopy investigations in mullite-type Bi2(FexGa1-x)4O9 polycrystals. Ferroelectrics, 611(1), 239-245.
  Macková, L.; Santiago, R. T.; Fabián, M.; da Silva, K. L.; Sato, F.; Becker, K. D.; Šepelák, V.; Cótica, L. F. & Santos, I. A.
  
• Mechanochemistry and Emerging Technologies for Sustainable Chemical Manufacturing. CRC Press.
  Colacino, Evelina & García, Felipe
  
• Editorial: Recent advances in the identification of stress-strain states of materials. Frontiers in Materials, 11.
  Harničárová, Marta; Valíček, Jan & Šepeľák, Vladimír
  
• High-entropy materials for energy and electronic applications. Nature Reviews Materials, 9(4), 266-281.
  Schweidler, Simon; Botros, Miriam; Strauss, Florian; Wang, Qingsong; Ma, Yanjiao; Velasco, Leonardo; Cadilha, Marques Gabriel; Sarkar, Abhishek; Kübel, Christian; Hahn, Horst; Aghassi-Hagmann, Jasmin; Brezesinski, Torsten & Breitung, Ben
  
• Influence of Grain Size on the Electrochemical Performance of Li7‐3xLa3Zr2AlxO12 Solid Electrolyte. Batteries & Supercaps, 7(11).
  Botros, Miriam; Gonzalez‐Julian, Jesus; Scherer, Torsten; Popescu, Radian; Loho, Christoph; Kilmametov, Askar; Clemens, Oliver & Hahn, Horst
  
• One-Step Mechanochemical Synthesis of Nanostructured and Non-Equilibrium Complex Oxides. Encyclopedia of Green Chemistry, 473-482. Elsevier.
  Šepelák, Vladimír; Harničárová, Marta; Valíček, Jan & Becker, Klaus Dieter