Die Arbeit befaßt sich mit binären Legierungssystemen, die eine geringe Mischbarkeit der Komponenten im festen Zustand und eine Entmischungstendenz in der Schmelze aufweisen. Die Nahordnung in den binären Legierungsschmelzen Ag-Bi, Bi-Cu und Cu-Pb wird über einen großen Konzentrationsbereich mit Röntgenbeugung untersucht, die Nahordnung und die mittelreichweitige Ordnung in der Ga-Tl-Schmelze hingegen im kritischen Bereich mit Neutronenweitwinkel- und Kleinwinkelbeugung. Ag-Bi und Bi-Cu sind eutektische Systeme mit einem Wendepunkt in der Liquiduslinie, während die Systeme Cu-Pb und Ga-Tl monotektisch sind und eine Mischungslücke im flüssigen Bereich aufweisen. Die Arbeit stellt die verwendeten Beugungsmethoden vor und beschreibt die Röntgendiffraktometrie besonders ausführlich. Die erhaltenen Strukturfaktoren und Paarverteilungsfunktionen werden dargestellt und mit anderen Untersuchungen verglichen. Durch Modellierung werden charakteristische Eigenheiten der Entmischungssysteme wie die Aufspaltung des ersten Maximums, die negativen Faber-Ziman-Strukturfaktoren bei kleinen Q-Werten und die schwache Struktur bei großen Q-Werten qualitativ wiedergegeben. Im Fall der Bi-Cu Schmelze wird durch Kombination von Daten aus Röntgen- und Neutronenbeugung mit Reverse Monte Carlo Simulation ein neuer Satz von partiellen Strukturfaktoren ermittelt, bei dem die partiellen Strukturfaktoren S_{BiCu}(Q) für die Bi-Cu-Wechselwirkung über den gesamten Konzentrationsbereich zuverlässiger sind als zuvor. Mit der Kleinwinkelstreuung werden die Konzentrationsfluktuationen im kristischen Bereich der Ga-Tl-Legierungsschmelze quantitativ beschrieben. / (Short- and medium-range order in the binary liquid alloys : Ag-Bi, Bi-Cu, Cu-Pb, Ga-Tl) The short-range order (SRO) and the medium-range order (MRO) are investigated in binary alloys with a negligible solubility of the components in the solid state and a demixing tendency in the liquid state. Ag-Bi and Bi-Cu are eutectic systems with an inflexion point in the liquidus line; Cu-Pb and Ga-Tl are monotectic with a miscibility gap in the liquid state. The SRO in the Ag-Bi, Bi-Cu and Cu-Pb melts is studied by means of X-ray diffraction over a large concentration range, whereas wide-angle and small-angle neutron scattering are used for investigation of the SRO and MRO of the Ga-Tl melt near the critical concentration. The diffraction methods used in the work are presented. The treatment of the X-ray scattering data is discussed in detail. The obtained Faber-Ziman total structure factors S(Q) and pair correlation functions g(r) are plotted and compared with results from the literature. The peculiarities of S(Q) such as the splitting of the first maximum, the negative Faber-Ziman structure factors in the Q-range near 1 Å^-1, the vanishing structure oscillations for Q-values beyond the first maximum are described qualitatively with a simple demixing model. In the case of the Bi-Cu melt, the contrast between X-Ray and neutron diffraction is used to assess the partial structure factors with Reverse Monte Carlo simulation. It is shown that the MRO of the Ga-Tl melt at the critical concentration is well described with a correlation length in the Ornstein-Zernike theory.

The thesis presented here is focused on the synthesis of iron-bismuth alkoxides and siloxides as precursors for multiferroic BiFeO₃ systems. Spectrum of novel cyclopentadienyl substituted iron-bismuth complexes of the general type [{Cp^y(CO)₂Fe}BiX₂], as potential precursors for cyclopentadienyl iron-bismuth alkoxides or siloxides [{Cp^y(CO)₂Fe}Bi(OR)₂] (R-O^tBu, OSiMe₂^tBu), were obtained and characterised. The use of wide range of cyclopentadienyl rings in the iron carbonyl compounds allowed for a comprehensive analysis of its influence on structure, reactivity as well as solubility of the studied complexes, which are crucial features of potential precursors. The results fill the gap in the chemistry of cyclopentadienyl iron-bismuth complexes. In this work a new method of preparation of novel alkoxides or siloxides iron-bismuth complexes has been developed. In the reaction of Fe₂(CO)₉ with Bi(O^tBu)₃ or Bi(OSiMe₂^tBu)₃ molecular precursors for preparation of heterobimetallic oxides were obtained. Moreover, characterised compounds allowed to extend the knowledge about existence of iron-bismuth clusters and open new ways for the further investigations on the carbonyl iron-bismuth siloxides and alkoxides. The resulting compounds are good single source precursors for the BiFeO₃ materials. The presented synthetic route can be generalized and other heterobimetallic compounds can be obtained. This work should also be helpful in the designing new precursors for synthesis of metal oxides.

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

Die vorliegende Dissertation behandelt die Synthese und Charakterisierung neuartiger hetero- und homoleptischer Carboxylato- und Sulfonatobismut(III)verbindungen, die Potential für antimikrobielle Anwendungen und/oder als Präkursoren für röntgenopake organisch-anorganische Hybridmaterialien aufweisen. Als Ausgangsstoffe dienten Arylbismutane, deren supramolekulare Strukturen in Abhängigkeit der funktionellen Gruppe am organischen Substituenten mit dem Ziel der Analyse intermolekularer Metall∙∙∙π(Aryl)-Wechselwirkungen sowie deren Einfluss auf die Ausbildung von Polymorphen diskutiert werden. Die Einstellung der Reaktionsbedingungen bei den Umsetzungen dieser Organobismutverbindungen mit Carbon- oder Sulfonsäuren erlaubt die gezielte Synthese carboxylato- oder sulfonatosubstituierter Koordinationspolymere des Bismuts unter milden Bedingungen. Neben der Beschreibung der Strukturen wird das Verhalten dieser Verbindungen in Lösung besprochen. Zur Aufklärung der Bildungsmechanismen von Bismutoxidoclustern wurden Hydrolyse- und Kondensationsstudien ausgehend von Lösungen der Bismutcarboxylate und -sulfonate sowie polynuklearer Modellverbindungen durchgeführt. Die in diesem Verlauf isolierten, funktionalisierten Bismutoxidospezies vertiefen die Erkenntnisse zum strukturellen Aufbau sowie zum Reaktionsverhalten der nanoskaligen Moleküle. Dabei werden u. a. die Symmetrieelemente der Bismutoxidocluster sowie Clusterabbaureaktionen beschrieben. Die Charakterisierung der synthetisierten Verbindungen erfolgte mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse, Pulverröntgendiffraktometrie, Infrarot- und Kernspinresonanzspektroskopie sowie thermischen Analysemethoden.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen die Darstellung und Charakterisierung ternärer Bismutsubchloride unter Einbau von Übergangsmetallen der 8., 9. und 10. Gruppe. Durch Vorlage eines hohen Chloranteils in der Synthese wurde die "chemische Schere" der Oxidation so stark wirksam, dass in den Verbindungen die gewünschten voneinander isolierten Cluster aus Metallatomen vorlagen. Die Verbindungen Bi12PtCl12, Bi12-xRhCl13-x, Bi12-xIrCl13-x (x < 1) und Bi6,67PtCl12 wurden als Pulver und als Kristalle durch Festkörperreaktionen bei 1273 K in Quarzglasampullen hergestellt. Die schwarz glänzenden, würfelförmigen Kristalle sind luftstabil, in verdünnten Mineralsäuren und in organischen Lösungsmitteln beständig. Die Zusammensetzungen wurden mit EDX-Analysen und Röntgenbeugung am Einkristall bestimmt. Zur weiteren Charakterisierung wurden quantenchemische Rechnungen, ramanspektroskopische Untersuchungen, Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der elektrischen Leitfähigkeit durchgeführt. Kristalle der Verbindung Bi12PtCl12 täuschen ein rhomboedrisches Kristallsystem vor, die Struktur konnte in der Raumgruppe P 1 als nahezu perfekter Inversionszwilling eines Achsendrillings gelöst werden. Auf den Eckplätzen der pseudorhomboedrischen Elementarzelle befinden sich [PtBi6Cl12]2- -Cluster und in der Mitte ein (Bi6)2+ -Polykation. Dieses (Bi6)2+ -Polykation in Form eines geöffneten Oktaeders bestätigt experimentell Vorhersagen von Kuznetsov et al. Nach den Regeln von Wade ist das Polykation mit 2 x 6 + 4 = 16 Gerüstelektronen als nido-Cluster zu verstehen. Die Schwerpunkte der Anionen und Kationen fügen sich zu einer dem CsCl-Typ analogen Anordnung zusammen. Mit einer vollständigen Besetzung aller Bismutlagen in der Mitte der Elementarzelle kann Bi12PtCl12 eine Schlüsselrolle zugeordnet werden, die sozusagen den Prototyp für diesen Strukturtyp darstellt. Die weiteren Verbindungen stellen unterbesetzte Varianten dar und können von Bi12PtCl12 abgeleitet werden. Im Verlauf der Untersuchungen zu den ternären Subchloriden in den Systemen wurden wenige Kristalle der binären Verbindung Bi7Cl10 erhalten. Die Tatsache, dass es sich um eine neue binäre Phase im recht stark untersuchten Gebiet Bismut-Chlor handelte führte zu einer neuerlichen, systematischen Überprüfung des Systems Bi/Cl. Mittels thermischer Analysen wurde das Zustandsdiagramm Bi/BiCl3 präzisiert. Bi7Cl10 zersetzt sich bereits bei 190 °C peritektoid in Bi6Cl7 und BiCl3 Bi7Cl10(s) = Bi6Cl7(s) + BiCl3(g). Das Zustandsbarogramm des binären Systems wurde über Gesamtdruckmessungen im Membran-Nullmanometer erstmalig bestimmt. Aus den Druckfunktionen der Bismutchloride sowie aus Messungen der Molwärme von Bi6Cl7 wurden die thermodynamischen Standarddaten abgeleitet. Unter Verwendung dieser Daten wurden thermodynamische Modellierungen der Festkörper-Gasphasen-Gleichgewichte durchgeführt, mit deren Hilfe die Synthese von Bi7Cl10 optimiert werden konnte. Die phasenreine Gasphasenabscheidung von Bi7Cl10 ist aufgrund der Kondensation der dominierenden Gasphasenspezies BiCl und BiCl3 im Existenzbereich der Verbindung oberhalb des Zersetzungspunktes (190 °C) nicht möglich. Im Existenzgebiet von Bi7Cl10 kommt der Transport dann wegen der resultierenden Partialdrücke unmittelbar zum Erliegen. Aus Röntgenbeugungsuntersuchungen an Einkristallen geht hervor, dass Bi7Cl10 bei Raumtemperatur in der tetragonalen Raumgruppe I 41/a c d mit a = 28,235(3) und c = 39,950(4) Å kristallisiert (Z = 64). Analog zu Bi6Cl7 = ((Bi9)5+)[(Bi3Cl14)5-] kann Bi7Cl10 unter Verdopplung der Summenformel als ((Bi9)5+)[(Bi5Cl20)5-] formuliert werden. In der Kristallstruktur sind Polykationen (Bi9)5+, welche die Gestalt zweifach überkappter trigonaler Prismen haben, in ein Chlorobismutat(III)-Raumnetzwerk [(Bi5Cl20)5-] eingebettet. Die Polykationen und das Anionennetzwerk sind deutlich voneinander separiert.

Reaction of BiPh3 or Bi(OtBu)3 with benzohydroxamic acid (H2-BHA) results in formation of novel mono- and di-anionic hydroxamato complexes; [Bi2(BHA)3]∞1, [Bi(H-BHA)3] 2, [Bi(BHA)(H-BHA)] 3, all of which display nM activity against Helicobacter pylori. Subsequent dissolution of [Bi2(BHA)3]∞ in DMSO/toluene results in hydrolysis to the first structurally authenticated {Bi34} oxido-cluster [Bi34O22(BHA)22(H-BHA)14(DMSO)6] 4. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Systematic synthetic investigations of the quaternary systems Ag - Bi - Q - X (Q = S, Se; X = Cl, Br) led to a variety of quaternary phases that exhibit considerable structural diversity with increasing complexity. These include Ag1.2Bi17.6S23Cl8, AgBi4Se5Br3 and numerous members of the homologous double series Agx(N+1)Bi2+(1-x)(N+1)Q2+(2-2x)(N+1)X2+(2x-1)(N+1) denoted (N, x)P. N represents the order number of a given homologue and x is the degree of substitution of Bi by Ag with 1/2 <= x <= 1. Their structures are built up from two alternating types of modules denoted A and B that are stacked parallel to (001). In module A, rows of edge-sharing [MZ6] octahedra (Z = X and/or Q); M = Ag and/or Bi) running parallel to [010] alternate along [100] with parallel chains of paired monocapped trigonal prisms around Bi atoms. The module type denoted B represents NaCl-type fragments of varying thickness. It is defined by the number N of octahedra within the chain of edge-sharing octahedra running diagonally across it in the (010) plane of the structure. The thickness of module B for current members of the series extends from N = 0 to N = 7. All structures exhibit Ag/Bi disorder in octahedrally coordinated metal positions and Q/X (Q = S, Se; X = Cl, Br) mixed occupation of some anion positions. Some of these compounds are narrow gap semiconductors.

Die grundlegende Frage- bzw. Problemstellung der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung innovativer Synthesemethoden für die nanoskalige, anorganische Festkörper- und Materialchemie, sowie die umfassende Charakterisierung der neuartigen Materialien und deren Untersuchung hinsichtlich potentieller Anwendungen. Die Arbeit umfasst dabei zwei große Themengebiete: Das Kapitel Bismutbasierte Nanoröhren beschreibt detailliert die neuartige Synthese doppelwandiger Bismut-Nanoröhren (engl. Double Walled Bismuth Nanotubes, DWBiNTs) bei Raumtemperatur, durch die Umsetzung von Bismutmonoiodid mit n-Butyllithium (n-BuLi) zu elementarem Bismut. Elektronenmikroskopische Untersuchungen des resultierenden feinen schwarzen Pulvers zeigen homogen strukturierte, stark agglomerierte, anisotrope Partikel mit Längen von mehreren hundert Nanometer, welche an den Enden geöffnet vorliegen und zudem einen „zwiebelartigen“ Aufbau mit einem einheitlichen inneren Durchmesser von ca. 4,5 nm sowie einen äußeren Durchmesser von ca. 6 nm aufweisen (Abbildung 1 A – C). Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden von Rasche quantenchemische Rechnungen am Modell einer (34,0)@(40,0)-DWBiNT durchgeführt, aus denen neben einer hexagonal facettierten Querschnittsgeometrie (Abbildung 1 D) durch Rechnungen der elektronischen Eigenschaften eine direkte Bandlücke von 0,5 eV hervorgeht, womit es sich bei diesen Strukturen um Halbleiter handeln sollte. Im Gegensatz zu bislang bekannten Synthesemethoden für Bi-Nanoröhren kann die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Syntheseroute als chemische Top-Down-Bottom-Up-Methode verstanden werden. Hiermit soll die Kaskade des Herauslösens der im Festkörper vorgeprägten Strukturen (chemisch Top-Down) gefolgt von deren Reorganisation zu nanoskopischen Objekten (klassisch Bottom-Up) verdeutlicht werden. Diese Herangehens-weise der Niedertemperaturreduktion klassischer Festkörperverbindungen ist bislang einzigartig und konnte basierend auf den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit innerhalb des Arbeitskreises bereits erfolgreich auf intermetallische Phasen übertragen werden. Es konnte ferner gezeigt werden, dass es durch die milde Oxidation von DWBiNTs im O2-Strom möglich ist, unter Erhalt der Morphologie gezielt Nanoröhren der unter Normalbedingungen metastabilen β-Modifikation von Bi2O3 zu synthetisieren. Diese wurden in Zusammenarbeit mit dem Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e.V. Meinsberg hinsichtlich ihrer gassensitiven Eigenschaften untersucht. Während die oxidischen Nanoröhren keine Sensitivität gegenüber CO und nur eine geringe H2-Sensitivität aufweisen, zeigt sich eine signifikante Widerstandserhöhung mit sinkendem Sauerstoffpartialdruck im Gasgemisch. Diese Befunde zeigen eine mögliche, bislang nicht untersuchte Anwendung von Bi2O3 als Sauerstoffsensor. Das Kapitel Mikrowellenunterstützte Niedertemperatursynthese der vorliegenden Arbeit widmet sich – basierend auf dem Polyolprozess (Abbildung 2) – der zeit- und energieeffizienten Synthese der intermetallischen Phasen BiNi, Bi3Ni und BiRh, welche durch herkömmliche metallurgische Hochtemperaturschmelz- oder sinterprozesse nur schwer zugänglich sind. Besonderer Schwerpunkt liegt in der gezielten Synthese mikro- und nanostrukturierter Proben. Die intermetallische Phase Bi3Ni kann röntgenographisch phasenrein in Form homogener stäbchenförmiger Partikel mit Abmessungen von ca. 200 nm x 600 nm, so genanntes submikroskaliges Bi3Ni, synthetisiert werden (Abbildung 3 A). Ebenso erfolgreich gestaltet sich die Synthese der nickelreicheren Phase BiNi in Form von Nadeln mit Durchmessern von wenigen Nanometern und Längen von mehreren Mikrometern sowie der binären Phase BiRh in Gestalt wohl definierter hexagonal facettierter, plättchenartiger Partikel mit einem mittleren Durchmesser von ca. 50 nm und Dicken < 10 nm (Abbildung 3 B, C). In Kooperation mit der Professur Anorganische Chemie I der TU Dresden konnte am Beispiel der intermetallischen Phase Bi3Ni erfolgreich die gezielte Einstellung der Partikelgröße und –morphologie unter Verwendung des mesoporösen Oxids SBA-15 als Exotemplat gezeigt werden. Die herausgelösten Proben zeigen röntgenographisch phasenreine, agglomerierte, sphärische Nanopartikel mit einem Durchmesser von < 8 nm. Die statische Magnetisierung sowie die Transporteigenschaften an den morphologisch unterschiedlichen Proben des Typ-II Supraleiters Bi3Ni wurden in Kooperation mit dem Hochfeld-Magnetlabor des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf untersucht. Es zeigt sich, dass durch chemische Nanostrukturierung physikalische Eigenschaften generiert werden, welche Volumenproben derselben Substanz nicht aufweisen: Die als unvereinbare Antagonisten angesehenen Grundzustände Ferromagnetismus und Supraleitung können in mesoskopischem Bi3Ni nicht nur koexistieren, sondern stärken einander sogar (Abbildung 4). Diese Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass Partikelgrößen im Zusammenspiel mit chemischer Substrukturierung in quasi-1D-Bindungssystemen essentiell für das Auftreten neuartiger Quanteneffekte sind. In Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe wurden die röntgenographisch phasenreinen Proben von BiNi (Nadeln), Bi3Ni (Stäbchen) und BiRh (hexagonale Nanoplättchen) hinsichtlich ihrer potentiellen Anwendung zur Semihydrierung von Acetylen untersucht. Für die Proben des Systems Bi/Ni kann keinerlei katalytische Aktivität gemessen werden, wohingegen die katalytischen Eigenschaften der BiRh Nanopartikel für die Semihydrierung von Acetylen hervorragend sind. So weisen die hexagonalen Nanoplättchen eine außerordentlich hohe Selektivität gegenüber Acetylen sowie eine sehr gute Langzeitstabilität, im Vergleich zu einem kommerziell erhältlichen Pd/Al2O3 Katalysator, auf. Auf Basis der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten und in ihren Ergebnissen (Phase, Reinheit, verschiedene Morphologien) kontrollierbaren sowie zeit- und energieeffizienten reduktiven Solvothermalmethode zur Synthese von intermetallischen Verbindungen ist der Zugang zu weiteren neuartigen, mehrkomponentigen, metallischen Materialien, welche durch klassische metallurgische Hochtemperaturschmelz- oder -sinterprozesse nur schwer oder gar nicht zugänglich sind, möglich. Allgemein kann das beschriebene Verfahren als eine verlässliche, breit anwendbare Methode zur Synthese wohl strukturierter Verbindungen auf chemischem Weg bei Temperaturen bis maximal 250 °C angesehen werden, welches eine große Bandbreite an verschiedenen Einsatzmöglichkeiten bietet.

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. / 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 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.:Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen ix 1 Einleitung und Problemstellung 1 1.1 Motivation 2 1.2 Das weltweite Wasserproblem 3 1.3 Bismuthaltige Verbindungen als Ausgangsstoffe für eine „grüne“ Zukunft 8 1.4 Konzept zur Durchführung der vorliegenden Untersuchungen 11 2 Bismutoxidocluster 13 2.1 Der Weg von bismuthaltigen Lösungen zu Bismutoxidoclustern 14 2.2 Untersuchungen zum Reaktionsverhalten von Bismut(III)-nitrat in Lösung 22 2.2.1 Kristallisation von [Bi6O4(OH)4(NO3)6(H2O)2]•H2O (1) 22 2.2.2 Kristallisation von [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)26}•2DMSO] [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)24}•0.5DMSO] ([2a][2b]) 32 2.2.3 Umsetzungen von [Bi22O26(OSiMe2tBu)14] mit Methylsalicylsäuren und Kristallisation von [Bi38O45(HSal4Me)24(DMSO)13.2]•6H2O (3) 43 2.2.4 Kristallisation von [Bi38O45(HSal)22(OMc)2(DMSO)15(H2O)] •DMSO∙2H2O (4) 58 2.2.5 Kristallisation von [Bi(C18H14P(O)SO3)2(DMSO)3](NO3)•DMSO∙2H2O (5) 64 3 Bismut(III)-oxide 71 3.1 Grundlagen 72 3.1.1 Der ausgeprägte Polymorphismus von Bi2O3 und dessen Auswirkungen 72 3.1.2 Strukturelle Betrachtungen der einzelnen Bi2O3-Polymorphe 78 3.1.3 Strukturelle Beziehungen zwischen den Bismutoxidpolymorphen 84 3.2 Hydrolyse von Bismutoxidoclustern 86 3.2.1 Stabilisierung von β-Bi2O3 89 3.2.2 Stabilisierung von „γ-Bi2O3“ sowie von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 114 3.2.3 Stabilisierung von δ-Bi2O3 126 4 Photokatalytische Untersuchungen an Bismut(III)-oxiden 135 4.1 Grundlagen der Photokatalyse mit Halbleitern 136 4.1.1 Historische Entwicklungen und potentielle Anwendungen 136 4.1.2 Definition von Begriffen und Anforderungen im Bereich der Photokatalyse 139 4.1.3 Mechanismen der photokatalytischen Aktivität für den Abbau von Schadstoffen 141 4.1.4 Eigenschaften und Charakteristika von Halbleiter-Photokatalysatoren 143 4.1.5 Zersetzung von Rhodamin B und deren Kinetik als Beispiel für photokatalytische Abbaureaktionen 147 4.2 Ergebnisse und Diskussion 151 4.2.1 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von β-Bi2O3 153 4.2.2 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von „γ-Bi2O3“ bzw. von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 176 4.2.3 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von δ-Bi2O3 179 4.2.4 Zusammenfassung der photokatalytischen Untersuchungen 181 5 Zusammenfassung und Ausblick 182 6 Experimenteller Teil 193 6.1 Arbeitstechniken und verwendete Geräte 194 6.2 Synthese der Bismutoxidocluster 198 6.2.1 Synthese von [Bi6O4(OH)4(NO3)6(H2O)2]∙H2O (1) 198 6.2.2 Synthese von [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)26}•2DMSO] [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)24}•0.5DMSO] ([2a][2b]) 198 6.2.3 Synthese von [Bi22O26(HSalxMe)14] und Kristallisation von [Bi38O45(HSal4Me)24(DMSO)13.2]•6H2O (3) 199 6.2.4 Synthese von [Bi38O45(HSal)22(OMc)2(DMSO)15(H2O)]•DMSO∙2H2O (4) 201 6.2.5 Synthese von [Bi(C18H14P(O)SO3)2(DMSO)3](NO3)•DMSO∙2H2O (5) 202 6.3 Synthese der Bismut(III)-oxide 202 6.3.1 Synthese von β-Bi2O3 202 6.3.2 Synthese von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 208 6.3.3 Stabilisierung von δ-Bi2O3 209 6.4 Photokatalytische Untersuchungen 210 7 Literaturverzeichnis 211 8 Anhang 236 8.1 Abbildungen und Tabellen 237 8.2 Kristallographische Daten 247 8.3 Ausgewählte Veröffentlichungen 249 Curriculum Vitae 254 Publikationsverzeichnis 255 Tagungsbeiträge 257 / 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.:Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen ix 1 Einleitung und Problemstellung 1 1.1 Motivation 2 1.2 Das weltweite Wasserproblem 3 1.3 Bismuthaltige Verbindungen als Ausgangsstoffe für eine „grüne“ Zukunft 8 1.4 Konzept zur Durchführung der vorliegenden Untersuchungen 11 2 Bismutoxidocluster 13 2.1 Der Weg von bismuthaltigen Lösungen zu Bismutoxidoclustern 14 2.2 Untersuchungen zum Reaktionsverhalten von Bismut(III)-nitrat in Lösung 22 2.2.1 Kristallisation von [Bi6O4(OH)4(NO3)6(H2O)2]•H2O (1) 22 2.2.2 Kristallisation von [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)26}•2DMSO] [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)24}•0.5DMSO] ([2a][2b]) 32 2.2.3 Umsetzungen von [Bi22O26(OSiMe2tBu)14] mit Methylsalicylsäuren und Kristallisation von [Bi38O45(HSal4Me)24(DMSO)13.2]•6H2O (3) 43 2.2.4 Kristallisation von [Bi38O45(HSal)22(OMc)2(DMSO)15(H2O)] •DMSO∙2H2O (4) 58 2.2.5 Kristallisation von [Bi(C18H14P(O)SO3)2(DMSO)3](NO3)•DMSO∙2H2O (5) 64 3 Bismut(III)-oxide 71 3.1 Grundlagen 72 3.1.1 Der ausgeprägte Polymorphismus von Bi2O3 und dessen Auswirkungen 72 3.1.2 Strukturelle Betrachtungen der einzelnen Bi2O3-Polymorphe 78 3.1.3 Strukturelle Beziehungen zwischen den Bismutoxidpolymorphen 84 3.2 Hydrolyse von Bismutoxidoclustern 86 3.2.1 Stabilisierung von β-Bi2O3 89 3.2.2 Stabilisierung von „γ-Bi2O3“ sowie von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 114 3.2.3 Stabilisierung von δ-Bi2O3 126 4 Photokatalytische Untersuchungen an Bismut(III)-oxiden 135 4.1 Grundlagen der Photokatalyse mit Halbleitern 136 4.1.1 Historische Entwicklungen und potentielle Anwendungen 136 4.1.2 Definition von Begriffen und Anforderungen im Bereich der Photokatalyse 139 4.1.3 Mechanismen der photokatalytischen Aktivität für den Abbau von Schadstoffen 141 4.1.4 Eigenschaften und Charakteristika von Halbleiter-Photokatalysatoren 143 4.1.5 Zersetzung von Rhodamin B und deren Kinetik als Beispiel für photokatalytische Abbaureaktionen 147 4.2 Ergebnisse und Diskussion 151 4.2.1 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von β-Bi2O3 153 4.2.2 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von „γ-Bi2O3“ bzw. von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 176 4.2.3 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von δ-Bi2O3 179 4.2.4 Zusammenfassung der photokatalytischen Untersuchungen 181 5 Zusammenfassung und Ausblick 182 6 Experimenteller Teil 193 6.1 Arbeitstechniken und verwendete Geräte 194 6.2 Synthese der Bismutoxidocluster 198 6.2.1 Synthese von [Bi6O4(OH)4(NO3)6(H2O)2]∙H2O (1) 198 6.2.2 Synthese von [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)26}•2DMSO] [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)24}•0.5DMSO] ([2a][2b]) 198 6.2.3 Synthese von [Bi22O26(HSalxMe)14] und Kristallisation von [Bi38O45(HSal4Me)24(DMSO)13.2]•6H2O (3) 199 6.2.4 Synthese von [Bi38O45(HSal)22(OMc)2(DMSO)15(H2O)]•DMSO∙2H2O (4) 201 6.2.5 Synthese von [Bi(C18H14P(O)SO3)2(DMSO)3](NO3)•DMSO∙2H2O (5) 202 6.3 Synthese der Bismut(III)-oxide 202 6.3.1 Synthese von β-Bi2O3 202 6.3.2 Synthese von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 208 6.3.3 Stabilisierung von δ-Bi2O3 209 6.4 Photokatalytische Untersuchungen 210 7 Literaturverzeichnis 211 8 Anhang 236 8.1 Abbildungen und Tabellen 237 8.2 Kristallographische Daten 247 8.3 Ausgewählte Veröffentlichungen 249 Curriculum Vitae 254 Publikationsverzeichnis 255 Tagungsbeiträge 257