Verbindungen mit Spinellstruktur im quasiternären System "LiO0.5-MnOx-FeOx" finden industriell als keramische Werkstoffe in der Elektrotechnik und Elektronik Verwendung. So werden Lithium-Mangan-Spinelloxide der Form Li1+xMn2-xO4 (x => 0) als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Lithiumbatterien untersucht. Sowohl Lithium- als auch Manganferrit finden Einsatz als steuerbare Komponenten in der Mikrowellentechnik und Manganferrite als Leistungsüberträger in Spulen und Transformatoren der Hochfrequenztechnik. Für einen solchen technischen Einsatz sind die Kenntnisse der Bedingungen für die Synthese phasenreiner Spinelle und deren Struktur unerlässlich. Die Darstellung der Spinelle erfolgte im Rahmen dieser Arbeit aus gefriergetrockneten Lithium-Mangan-Eisenformiaten. Diese Precursoren zeichnen sich durch hohe Reaktivität und exakte Metallionenstöchiometrie aus. Der Zersetzungsablauf von gefriergetrockneten Li-Mn(II)-Fe(III)-Formiaten unter Argon wurde mittels thermischer Analyse, gekoppelt mit der Massenspektroskopie, sowie durch Röntgenpulveraufnahmen der Zwischenprodukte untersucht. Aus den vorzersetzten Precursoren gewünschter Zusammensetzung wurden unter kontrollierten Temperatur- und Sauerstoffpartialdruckbedingungen einphasige Spinelloxide dargestellt. Die so erhaltenen Verbindungen mit Spinellstruktur wurden mittels Röntgenbeugung und Strukturverfeinerung sowie XANES- und Mößbauerspektroskopie und magnetischen Messungen untersucht. Aus der Kombination dieser Methoden konnten Schlussfolgerungen bezüglich der Struktur, Kationenverteilung und Eigenschaften der jeweiligen Spinelle gewonnen werden. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die in der Literatur nicht beschriebene Mischkristallreihe LixMn1+xFe2?2xO4, die Mn(II) und Mn(III) oder Mn(III) und Mn(IV) für x < 0.5 oder x > 0.5 enthält. Mit zunehmendem x-Wert vergrößert sich der Anteil von Lithiumionen auf Tetraeder-plätzen. Bei einem Wert x = 4/7 erreicht dieser Anteil 100%. Unter Einbeziehung der Ergebnisse der Mößbaueruntersuchungen ergeben sich für die Spinellverbindungen mit x = 2/7, 3/7 und 4/7 die folgenden Kationenverteilungen: (Li1.04Mn2+2.81-[delta]Fe3+3.15Mn3+[delta])A[Li0.96Fe3+6.85Mn3+6-[delta]Mn2+0.19+[delta]]BO28 (Li2.37Mn2+1.0-*Fe3+2.98Mn3+0.65+*)A[Li0.63Fe3+5.02Mn3+8.35-*Mn2+*]BO28 (Li4.0Fe3+2.37Mn3+0.63)A[Fe3+3.63Mn3+9.37Mn4+1.0]BO28. Eine theoretisch vorhersehbare Zunahme der Sättigungsmagnetisierung bei kleinen x-Werten wird durch Abnahme der kooperativen Kopplungseffekte mit Abnahme des Eisengehaltes nicht beobachtet. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Darstellung phasenreiner Spinelloxide aus den vorzersetzten gefriergetrockneten Li-Mn-Fe-Formiaten im gesamten Bereich zwischen den bekannten quasibinären Spinellverbindungen MnFe2O4, Li0.5Fe2.5O4, LiMn2O4 und Li4/3Mn5/3O4 im quaternären System Li-Mn-Fe-O unter jeweils definierten pO2/T-Bedingungen möglich ist. Die Synthesetemperaturen sind teilweise um 100°C bis 200°C niedriger als bei vergleichbaren Proben aus den Festkörpereaktionen. Manganreiche Spinelle außerhalb dieses Bereiches konnten nicht synthetisiert werden.

Ce travail de thèse a porté sur l'élaboration de nanoparticules et de couches minces d'oxydes spinelles mixtes de MxCo2-xMnO4 (M = Ni, Cu, Zn ; x = 0, 0,15, 0,30, 0,60) semi-conducteurs, absorbants de lumière avec d'intéressantes applications potentielles pour la photo-catalyse et le photovoltaïque. Le premier chapitre présente tout d'abord une vue globale du contexte énergétique à l'échelle mondiale et des ressources d'énergie renouvelables, alternatives aux énergies fossiles les plus répandues. Une revue détaillée est ensuite faite des différents matériaux et systèmes employés dans la fabrication de cellules solaires, en portant une attention plus particulière à un nouveau type de cellules photovoltaïques en couches minces, dites " Tout-oxyde ", basées notamment sur l'utilisation d'oxydes de type spinelle utilisés comme absorbeurs solaires. Le deuxième chapitre présente les techniques expérimentales de synthèse et de caractérisation utilisées lors de ce travail de thèse. Le procédé de polycondensation inorganique, optimisé au laboratoire, utilisé pour synthétiser les poudres d'oxydes à basse température (T < 120 °C) sans agent organique complexe est décrit. Ensuite, les méthodes de préparation de dispersions colloïdales à l'ambiante dans l'éthanol et de films minces homogènes d'oxydes par trempage-retrait sont explicitées. Le troisième chapitre présente les résultats détaillés des structures atomiques et électroniques des matériaux de base à l'étude, issus de calculs par la méthode Density Functional Theory (DFT), réalisés en collaboration avec le laboratoire CEMES de Toulouse. Les résultats des calculs de densités électroniques et détermination de structures de bandes, réalisés pour la première fois à notre connaissance, sur l'ensemble de la solution solide MnxCo3-xO4 (0 = x = 3), sont comparés à nos données expérimentales, obtenues notamment sur les largeurs de bande interdite (gap) à partir de mesures optiques faites sur couches minces. Un gap de 0,8 eV est calculé, qui serait dû à des transitions inter-métalliques en sites B. Deux gaps à 1,5 et 2,2 eV, obtenus expérimentalement dans l'UV-VIS, qui augmentent avec la quantité de manganèse, correspondraient à des transitions respectives B-A et O-B, respectivement. Les propriétés magnétiques de ces matériaux sont également discutées. Le quatrième chapitre présente l'élaboration et la caractérisation (micro-)structurale des poudres et des couches minces d'oxydes de type spinelle. Toutes les compositions (Co2MnO4 dopé au Ni, Cu ou Zn) cristallisent dans une phase cubique. Les nanoparticules sont sphériques avec la taille variant entre 20 et 50 nm. Les couches minces homogènes ont été déposées sur quartz, alumine, nitrure de titane et platine afin de mesurer leurs propriétés électriques et optiques. Une température de frittage environ de 1000 °C sous air a été déterminée par dilatométrie et les couches sont stables jusqu'à 900 °C quel que soit le substrat. En revanche, seules les couches déposées sur platine permettent d'atteindre la température de frittage sous air (et d'accroitre la compacité donc la conductivité des couches) sans réaction avec le substrat. Le chapitre cinq présente les variations des propriétés optiques et électriques des couches minces avec le frittage. Les propriétés d'absorbance de lumière des couches minces ainsi préparées, mesurées sur une gamme de longueurs d'ondes du domaine spectral UV-visible, montrent deux bandes d'absorbance, correspondantes à deux valeurs de gap pour chaque composition. La propriété d'absorbance des couches minces augmente dans la gamme du visible après frittage et les gaps diminuent. Les couches minces sont plus compactées. La résistivité des couches minces diminue de 105 à 102 Omega.cm avec l'augmentation de la température de 20 à 300 ºC. Une étude parallèle, basée sur la préparation de films minces absorbants de lumière de Co2MnO4 et Cu2O par la technique de Pulsed Laser Deposition (PLD) est également présentée. / The present thesis deals with the synthesis and structural characterization of transition metals doped cobalt and manganese based spinel oxides MxCo2-xMnO4 (with M = Ni, Cu, Zn and x = 0, 0.15, 0.30, 0.60), in relationships with their conduction and optical properties. These materials are good p-type semiconductors and light absorbers in the UV and visible regions, therefore interesting for photo-catalysis and photovoltaics. The first chapter is a brief overview of the energy context and nature of global warming, renewable energy resources and a literature review of materials used for solar cells including the newly studied system type based on all-oxide photovoltaics. Chapter two presents all the experimental methods and characterization techniques used for this research work. The inorganic polycondensation method optimized in our laboratory and used for synthesizing spinel oxide powders at low temperature (T < 120 °C) without complex organic agents is described. Then, the preparation of colloidal dispersions stabilized at room temperature using an azeotrope solution based on absolute ethanol and water only is described, in order to obtain homogenous oxide thin films by the dip-coating technique. The third chapter presents detailed results on the atomic and electronic structures of the materials under study performed by using a full density functional theory investigation thanks to a collaboration with the CEMES. First principles electronic structure calculations were performed for the first time to our knowledge over the whole spinel oxide solid solution range MnxCo3-xO4 (0 = x = 3), and compared with our experimental data. A small band gap of ~ 0.8 eV is calculated, due to metal-metal transitions in B sites. The experimental band gaps observed at 1.5 and 2.2 eV, which increase with the amount of manganese, would correspond to B-A and O-B transitions, respectively. The magnetic properties of these materials are also discussed. Chapter four shows the experimental details of the preparation and characterization of the spinel oxide powders, colloidal dispersions and thin films. All samples (Ni, Cu or Zn-doped Co2MnO4) are well crystallized with a single cubic spinel oxide phase. Nanoparticles are spherical and their diameters vary from 20 to 50 nm, doping with Zn, Ni to Cu, mainly due to steric effects. Homogenous oxide thin films were deposited on quartz, alumina, titanium nitride and platinum in order to measure their optical and electrical properties, and to increase the film compactness (thus electrical conductivity and light absorbance) after thermal treatment. Thin films are well preserved up to 900 °C in air and can handle higher temperatures (up to 1000 ºC) on platinum without reaction with the substrate. Chapter five deals with the optical and electrical properties of thin films before and after sintering. The optical properties were measured over a wide range of wavelengths (UV-VIS). The optical properties of spinel oxide thin films show two strong absorption band gaps for each composition at the UV front and close to 700 nm in wavelength. These band gaps are direct and mostly lower than 2 eV for the first band. Both band gaps increase with further doping and decrease after annealing. Thin film resistivity is about 105 .cm at room temperature and decreases with increasing temperature (a few tens of 20cm at 300 ºC). In parallel to the soft chemistry method and dip-coating technique used to prepare our spinel oxide thin layers, Pulsed Laser Deposition technique was used to prepare pure Co2MnO4 and Cu2O dense thin films. Their structural and optical main features are discussed.

Presented work investigates the problem of secondary lithium-ion cells and the different available cathode materials. We have prepared samples of LiFePO4 with the addition of different kinds of carbon materials such as Super P, Vulcan and expanded graphite. We have always created the sample with and without surfactant. Developed samples were compared by measuring electrochemical methods (cyclic voltammetry, charge and discharge cycles and impedance spectroscopy). We also modeled the three-point cell for measuring electrochemical electrode materials.

Verbindungen mit Spinellstruktur im quasiternären System &amp;quot;LiO0.5-MnOx-FeOx&amp;quot; finden industriell als keramische Werkstoffe in der Elektrotechnik und Elektronik Verwendung. So werden Lithium-Mangan-Spinelloxide der Form Li1+xMn2-xO4 (x =&amp;gt; 0) als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Lithiumbatterien untersucht. Sowohl Lithium- als auch Manganferrit finden Einsatz als steuerbare Komponenten in der Mikrowellentechnik und Manganferrite als Leistungsüberträger in Spulen und Transformatoren der Hochfrequenztechnik. Für einen solchen technischen Einsatz sind die Kenntnisse der Bedingungen für die Synthese phasenreiner Spinelle und deren Struktur unerlässlich. Die Darstellung der Spinelle erfolgte im Rahmen dieser Arbeit aus gefriergetrockneten Lithium-Mangan-Eisenformiaten. Diese Precursoren zeichnen sich durch hohe Reaktivität und exakte Metallionenstöchiometrie aus. Der Zersetzungsablauf von gefriergetrockneten Li-Mn(II)-Fe(III)-Formiaten unter Argon wurde mittels thermischer Analyse, gekoppelt mit der Massenspektroskopie, sowie durch Röntgenpulveraufnahmen der Zwischenprodukte untersucht. Aus den vorzersetzten Precursoren gewünschter Zusammensetzung wurden unter kontrollierten Temperatur- und Sauerstoffpartialdruckbedingungen einphasige Spinelloxide dargestellt. Die so erhaltenen Verbindungen mit Spinellstruktur wurden mittels Röntgenbeugung und Strukturverfeinerung sowie XANES- und Mößbauerspektroskopie und magnetischen Messungen untersucht. Aus der Kombination dieser Methoden konnten Schlussfolgerungen bezüglich der Struktur, Kationenverteilung und Eigenschaften der jeweiligen Spinelle gewonnen werden. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die in der Literatur nicht beschriebene Mischkristallreihe LixMn1+xFe2?2xO4, die Mn(II) und Mn(III) oder Mn(III) und Mn(IV) für x &amp;lt; 0.5 oder x &amp;gt; 0.5 enthält. Mit zunehmendem x-Wert vergrößert sich der Anteil von Lithiumionen auf Tetraeder-plätzen. Bei einem Wert x = 4/7 erreicht dieser Anteil 100%. Unter Einbeziehung der Ergebnisse der Mößbaueruntersuchungen ergeben sich für die Spinellverbindungen mit x = 2/7, 3/7 und 4/7 die folgenden Kationenverteilungen: (Li1.04Mn2+2.81-[delta]Fe3+3.15Mn3+[delta])A[Li0.96Fe3+6.85Mn3+6-[delta]Mn2+0.19+[delta]]BO28 (Li2.37Mn2+1.0-*Fe3+2.98Mn3+0.65+*)A[Li0.63Fe3+5.02Mn3+8.35-*Mn2+*]BO28 (Li4.0Fe3+2.37Mn3+0.63)A[Fe3+3.63Mn3+9.37Mn4+1.0]BO28. Eine theoretisch vorhersehbare Zunahme der Sättigungsmagnetisierung bei kleinen x-Werten wird durch Abnahme der kooperativen Kopplungseffekte mit Abnahme des Eisengehaltes nicht beobachtet. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Darstellung phasenreiner Spinelloxide aus den vorzersetzten gefriergetrockneten Li-Mn-Fe-Formiaten im gesamten Bereich zwischen den bekannten quasibinären Spinellverbindungen MnFe2O4, Li0.5Fe2.5O4, LiMn2O4 und Li4/3Mn5/3O4 im quaternären System Li-Mn-Fe-O unter jeweils definierten pO2/T-Bedingungen möglich ist. Die Synthesetemperaturen sind teilweise um 100°C bis 200°C niedriger als bei vergleichbaren Proben aus den Festkörpereaktionen. Manganreiche Spinelle außerhalb dieses Bereiches konnten nicht synthetisiert werden.

In dieser Dissertation wird der Einfluss unterschiedlicher Sauerstoff-Koordinationsgeometrien um ein zentrales Kobaltatom evaluiert. Genauer werden Oxide, die tetraedrisch und oktaedrisch koordiniertes Kobalt enthalten, synthetisiert und charakterisiert. Zudem wird ihre Aktivität in Hinblick auf die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) unter alkalischen Bedingungen untersucht. Die elektrochemischen Analysen zeigen dabei, dass Materialien, die Kobalt in tetraedrischer Sauerstoffkoordination enthalten, die besseren Katalysatorvorläufer für die OER sind. Weiterhin kann demonstriert werden, dass das Herauslösen von inaktiven Metallen aus einer Struktur die Aktivität erhöht. Darauf basierend wird das neue Material Zn0.35Co0.65O vorgeschlagen. Es kristallisiert in der Wurtzitstruktur und enthält nur tetraedrisch koordinierte Atome. In alkalischen Lösungen wandelt sich die Wurtzitstruktur über die Zwischenstufe Co(OH)2 zum gamma-Co(O)OH um, und nahezu alles Zink wird aus der Struktur herausgelöst. Dadurch wird ein Material mit einer großen elektrochemisch aktiven Oberfläche gewonnen, das unterkoordinierte CoO(6-x) Oktaeder als aktive Zentren für die OER enthält. Hierdurch wird eine herausragende katalytische Leistung erreicht. Um weitere Einblicke in die OER zu generieren, wird Diffuse Reflexions UV/Vis (DRUV) Spektroskopie verwendet. Es werden neuartige Durchflusszellendesigns vorgeschlagen, die es erlauben, DRUV Spektren während der Katalyse aufzunehmen, d.h. operando. Durch diesen spektroelektrochemischen Ansatz werden Veränderungen der Katalysatoren während der OER beobachtet. So kann die Phasenumwandlung von Zn0.35Co0.65O erfolgreich verfolgt werden. Ebenso kann gezeigt werden, dass CoAl2O4 und Co2SnO4 nur an ihrer Oberfläche katalytische Aktivität aufweisen. Durch den Vergleich mit ex situ Analysen werden eindeutige Struktur-Eigenschaftsbeziehungen vorgeschlagen und tiefere Einsichten in die katalytisch aktiven Strukturmotive erhalten. / In this PhD thesis, the influence of different coordination geometries of oxygen atoms around a central cobalt atom is evaluated. Specifically, oxides containing tetrahedral and octahedral coordinated cobalt are synthesized, characterized and their activity towards the OER under alkaline conditions is evaluated. The electrochemical analyses reveal, that materials containing cobalt in tetrahedral oxygen coordination are better precatalysts for the OER. Furthermore, it is demonstrated that leaching of inactive metals from a structure increases the activity as well. Based on the previous mentioned, the new material Zn0.35Co0.65O is proposed. It crystallizes in the wurtzite structure and contains solely tetrahedrally coordinated atoms. In alkaline solutions, it transforms from wurtzite structure via a hydroxide to gamma-Co(O)OH, and nearly all Zn is leached from the structure. By this, a material with a large electrochemically active surface area is generated, that contains under-coordinated CoO(6-x) octahedra as active centers for the OER. Thus, outstanding catalytic performance is achieved. To generate further insights into the OER, diffuse reflectance ultraviolet visible (DRUV) spectroscopy is facilitated. Novel flow-cell designs are proposed, that allow to record DRUV spectra of catalysts under working conditions, i.e. operando. By this spectroelectrochemical approach, changes the catalysts undergo during the OER are observed. The phase transitions of Zn0.35Co0.65O are successfully followed, and it can be further shown, that CoAl2O4 and Co2SnO4 are only active at their surface. By comparison to ex situ analyses, clear structure-activity correlations are proposed, and deeper insights in the catalytically active structural motifs are obtained.

No description available.