Erweiterung der Nitridometallatchemie der 3d-Übergangsmetalle durch einen neuen Hochdrucksynthesezugang

• Antragsteller: Dr. Simon David Kloß
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433306733

In diesem Postdoc-Projekt soll ein neuer Zugang zu den bislang wenig untersuchten Nitridometallaten der 3d-Übergangsmetalle geschaffen werden. Diese Verbindungen der Zusammensetzung A–M–N, wobei A ein elektropositives Metall und M ein 3d-Übergangsmetall darstellt, wurden in den 90er Jahren aufgrund ihrer vielfältigen potentiellen Anwendungen als Halbmetalle für die Spintronik, Thermoelektrika, Supraleiter und Halbleiter als Energiewandler untersucht. Ihre Erforschung kam in den letzten Jahren jedoch fast vollständig zum Erliegen, wobei ein wichtiger Grund dafür wahrscheinlich die schwierige Synthese dieser Verbindungen ist. Die Herausforderungen, die hierbei auftreten, sind reaktionsträge oder temperaturlabile Ausgangsmaterialien und vor allem die stark konkurrierende Redoxzersetzung der Nitride. Aufgrund dieser Nebenreaktion steht unter Normaldruck nur ein schmales Temperaturfenster zur Verfügung steht, in dem Nitridometallate synthetisiert werden können.Mit diesem Forschungsvorhaben soll die Nitridometallatechemie der 3d-Metalle durch einen innovativen Hochdrucksynthesezugang wiederbelebt werden. Durch Drücke im Gigapascal-Bereich wird die Redoxzersetzung nach dem Prinzip von Le Chatelier unterdrückt und eine Vergrößerung des Temperaturfensters erreicht. Durch den geschlossenen und unter Druck stehenden Reaktionsraum sollen Synthesestrategien realisiert werden, die bei Normaldruck undurchführbar wären.Zuerst sollen neue Syntheserouten erschlossen werden indem die Parameter Druck und Temperatur sowie verschiedene Reaktionstypen und Ausgangsmaterialien wie Azide, Amide, Nitride und Metathesen erprobt werden. Nitridotitanate und -ferrate wurden aufgrund der physikalischen Eigenschaften der 3d-Metalle als Startsysteme ausgewählt. Grundlegende Fragestellungen, die die Erforschung dieser Systeme leiten sollen, sind die Synthese fehlende Mitglieder bekannter Strukturfamilien, wie das Ba2FeN2 aus der MFeN2-Familie (M = Ca, Sr), und die Synthese vorhergesagte Verbindungen mit spannenden Eigenschaften wie das Thermoelektrikum BaTiN2. Langzeitziele, die sich aus diesem Projekt entwickeln können, sind die Erforschung des Metall-Isolator-Übergangs in diesen Systemen sowie das Studium der Auswirkung von hohen Drücken und Temperaturen auf die erhaltenen Anionenstrukturen, da viele der bekannten Nitridometallate Strukturmotive aus der Hauptgruppenchemie aufweisen.Im zweiten Teil des Projekts sollen die erhaltenen Verbindungen auf ihre physikalischen Eigenschaften wie Magnetismus, Widerstand und Wärmekapazität untersucht werden. Da bislang wenig über solche Eigenschaften bekannt ist soll hier ein Beitrag zum Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Nitridometallaten geleistet werden. Wir sind davon überzeugt, dass das hier vorgestellte Postdoc-Projekt zu faszinierenden Erkenntnissen in der bislang wenig verstandenen Strukturchemie der Nitridometallate der 3d-Übergangsmetalle sowie deren physikalischen Eigenschaften führen wird.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. J. Paul Attfield