The subject of this thesis was creating of teaching material for an interactive whiteboard using ActivInspire program. The material was created in a form of interactive presentations designed to be used in chemistry lessons at secondary schools. The theme of these presentations was the 15th group of the periodic table of elements. The thesis also includes a description of the way the presentations were made and instructions for teachers how to work with them.

Chemical synthesis of materials is facing enormous challenges at the present time. The necessary transition toward more sustainable economic processes requires new materials as well as optimized production of well-established materials. However, inorganic materials (e.g., ceramics or alloys) are typically produced industrially by high-temperature processes at up to 2000 °C. A relatively new approach for inorganic synthesis is based on so-called ionic liquids. Ionic liquids (ILs) — often defined as salts with melting points below 100 °C[1] — are usually composed of sterically demanding organic cations and (often) polyatomic anions, which can be selected in order to tune the properties of the IL. Owing to the distinctive physicochemical properties of ILs (e.g., wide liquidus range, high redox and thermal stability, (usually) negligible vapor pressure, tunable polarity), they have gained interest for a wide range of applications. Among the numerous inorganic materials accessible in ILs have been remarkable examples, especially in main-group element chemistry. For instance, a new metastable modification of germanium in the clathrate-II structure[2] or the largest known naked, main-group element cluster [Sn36Ge24Se132]24– (“Zeoball”).[3] The introduction of Lewis-acidic ILs has enhanced the convenience of polycation syntheses and enabled substitution of carcinogenic or toxic substances like benzene, SO2, or AsF5.[4] A considerable number of polycations of group 15 or 16 elements has been synthesized in ILs. The utilization of an IL as reaction medium can be decisive for the composition, structure, and physical properties of the (polycationic) reaction product.[5] In order to broaden the knowledge on synthesis techniques for inorganic materials near ambient temperature based on ILs, this thesis aimed at two goals: • Explorative synthesis of new inorganic compounds in ILs • Elucidating the influence of ILs on product formation For these two goals, metal-rich (polycationic) compounds of group 15 were chosen as promising chemical system, owing to the effectiveness of alkylimidazolium-based Lewis-acidic ILs for the synthesis of this class of compounds. A variety of new polycationic compounds has been successfully synthesized in Lewis-acidic ILs based on 1-n-butyl-3-methylimidazolium (or 1-ethy-3-methylimidazolium) halides and halogenido-aluminates. Determination of the crystal structures by single-crystal X-ray diffraction enabled analysis of their bonding situation supported by quantum-chemical calculations. In general, the employed ILs enabled syntheses with a high selectivity for the yielded polycation. Depending on the investigated chemical system, the following parameters were pinpointed to have significant influence: • Choice of starting materials • Choice of cation as well as anion of the IL • Reaction temperature • Concentration of starting materials in the IL The investigations were supported by NMR spectroscopy, which led to the discovery of nanoparticles of red phosphorus. This finding may stimulate the development of an easily accessible, reactive form of phosphorus without the hazardous drawbacks of the white allotrope. In addition, in situ NMR measurements in ILs were proven a viable option for mechanistic investigations. Conventional solid-state reaction as well as ionothermal syntheses yielded the new layered compounds M2Bi2S3(AlCl4)2 (M = Cu, Ag), which can be interpreted as Bi2S3 molecules embedded in MAlCl4 salts. The choice of starting materials was found to have a crucial influence on the crystallized polytype. Omitting the IL hindered the formation of crystals suitable for single-crystal structure determination. The three new main-group element heteropolycations [Bi6Te4Br2]4+, [Bi3S4AlCl]3+, and [Sb13Se16]7+ as well as known [Bi4Te4]4+ has been synthesized under ionothermal conditions. The Lewis-acidic ILs proved to be exceptional solvents for elements and their halides, and likewise for Bi2S3 and Bi2Te3. Hence, these solvents are not only advantageous reaction media for pnictogen and chalcogen chemistry but also potential (selective but expensive) ore-processing agents. These excellent solvent capabilities extend to complex ternary compounds including heavy transition metals such as Bi16PdCl22 and elemental platinum. This gave rise to the synthesis of metal-rich salts containing [Bi10]4+ antiprisms with an endohedral palladium or, for the first time, platinum atom. Furthermore, the filled bismuth polycation [Rh@Bi9]4+ or the complex cluster [Rh2Bi12]4+ could be obtained from dissolution and conversion of Bi12−xRhX13–x (X = Cl, Br) depending on the employed IL. Real-space bonding analysis revealed that [Rh2Bi12]4+ acquires a unique standing between dative bonding by bismuth polyions and mixed clusters following Wade-Mingos rules. References [1] J. S. Wilkes, P. Wasserscheid, T. Welton, in Ionic Liquids in Synthesis (Eds.: P. Wasserscheid, T. Welton), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2007, pp. 1–6. [2] A. M. Guloy, R. Ramlau, Z. Tang, W. Schnelle, M. Baitinger, Y. Grin, Nature 2006, 443, 320–323. [3] Y. Lin, W. Massa, S. Dehnen, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4497–4500. [4] E. Ahmed, D. Köhler, M. Ruck, Z. Anorg. Allg. Chem. 2009, 635, 297–300. [5] E. Ahmed, J. Beck, J. Daniels, T. Doert, S. J. Eck, A. Heerwig, A. Isaeva, S. Lidin, M. Ruck, W. Schnelle, et al., Angew. Chem. 2012, 124, 8230–8233; Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 8106–8109.

This thesis was inspired by the discovery of Bi14Rh3I9, the first so-called weak three-dimensional topological insulator (3D-TI) and has been concerned with the topic of TIs in general. Two aspects were tackled to gain a deeper understanding of this new state of matter. On one hand, the expansion of the material’s basis and on the other hand developing a simple model of the structure and analysing it via density-functional theory (DFT) based methods. To discover new materials, a systematic investigation of the metal-rich parts of the bismuth–platinum-metal–iodine phase systems was conducted. It led to six new phases among the bismuth subiodides. Some of which, e.g. Bi14Rh3I9, share a honeycomb network of platinum-metal-centred bismuth-cubes and are the seed of a family of materials with this structural motive. The others show strand-like structures or layered structures with platinum-platinum bonds. The latter were so far unknown amongst bismuth subiodides. The honeycomb network was separately analysed and shown to host the TI properties. Structurally and electronically it can be seen as a “heavy graphene analogue”, which refers to the fact that graphene with hypothetical strong spin-orbit coupling (“heavy graphene”) was the first TI put forward by theoreticians. Apart from DFT-calculations, physical experiments confirmed the TI properties. Angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) was used to verify the electronic structure and scanning tunnelling microscopy and spectroscopy (STM and STS) to reveal the protected 1D edge states present at the cleaving surface of this material. As the arrangement of the honeycomb layer varies between the different known and newly discovered materials within this family of structures, this influence was also investigated. All further materials were also characterised by DFT-calculations and physical experiments, e.g. magnetisation and transport measurements. This thesis might give an experimental and theoretical basis for a deeper understanding of the TI state of matter. The 1D edge states on the surface of Bi14Rh3I9 could be a chance to handle spins and therefore propel spintronic research, or they could host Majorana fermions, which could be used as qubits in quantum computing.

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

The aim of this masterś thesis is to investigate properties of lead-free low-temperature solders after termal aging. The theoretical part is focused on various types of lead - free solders, pastes used for the manufacture of electrical circuits by thick-film technology and methods of testing the properties of the soldered joints. The practical part deals with the design and production of test substrates for testing the solder joints formed between the SMD component and the ceramic substrate. Two solder bismuth-containing solder was selected for testing, the SAC solder was selected as the reference. After aging with temperature cycling from -30 ° C to 115 ° C, the data obtained by testing the mechanical strength of the solder joint by the shear test is evaluated.

Tellurium and bismuth are non-biogenous elements, which can be accumulated in human body. The aim of this work is focused on the determination of these elements by the electrochemical hydride generation with non-membrane electrolytic cell with quartz tube - atomic absorption spectrometry. The first step of the work was to optimize parameters for the continuous setup measurements and to obtain its figures of merit. After this, the arrangement with most suitable conditions for determination of these elements was converted to the flow injection setup (FIA) and all experimental parameters were again optimized and its figures of merit were obtained. The conditions of hydride generation were studied for platinum, lead and silver cathodes with hydrochloric and sulphuric acids and their sodium salts as electrolytes. The optimizations of the FIA setup were performed on platinum cathode in hydrochloric acid for bismuth and on lead cathode in sulphuric acid for tellurium. The limit of detection achieved for the generation of tellurium hydride was 1.1 ppm with a linear range up to 20 ppm; for the bismuth hydride the limit of detection was 9.5 ppm and limit of linearity 50 ppm. Keywords Bismuth, tellurium, electrochemical hydride generation, atomic absorption spectroscopy, flow injection analysis

Chemical synthesis of materials is facing enormous challenges at the present time. The necessary transition toward more sustainable economic processes requires new materials as well as optimized production of well-established materials. However, inorganic materials (e.g., ceramics or alloys) are typically produced industrially by high-temperature processes at up to 2000 °C. A relatively new approach for inorganic synthesis is based on so-called ionic liquids. Ionic liquids (ILs) — often defined as salts with melting points below 100 °C[1] — are usually composed of sterically demanding organic cations and (often) polyatomic anions, which can be selected in order to tune the properties of the IL. Owing to the distinctive physicochemical properties of ILs (e.g., wide liquidus range, high redox and thermal stability, (usually) negligible vapor pressure, tunable polarity), they have gained interest for a wide range of applications. Among the numerous inorganic materials accessible in ILs have been remarkable examples, especially in main-group element chemistry. For instance, a new metastable modification of germanium in the clathrate-II structure[2] or the largest known naked, main-group element cluster [Sn36Ge24Se132]24– (“Zeoball”).[3] The introduction of Lewis-acidic ILs has enhanced the convenience of polycation syntheses and enabled substitution of carcinogenic or toxic substances like benzene, SO2, or AsF5.[4] A considerable number of polycations of group 15 or 16 elements has been synthesized in ILs. The utilization of an IL as reaction medium can be decisive for the composition, structure, and physical properties of the (polycationic) reaction product.[5] In order to broaden the knowledge on synthesis techniques for inorganic materials near ambient temperature based on ILs, this thesis aimed at two goals: • Explorative synthesis of new inorganic compounds in ILs • Elucidating the influence of ILs on product formation For these two goals, metal-rich (polycationic) compounds of group 15 were chosen as promising chemical system, owing to the effectiveness of alkylimidazolium-based Lewis-acidic ILs for the synthesis of this class of compounds. A variety of new polycationic compounds has been successfully synthesized in Lewis-acidic ILs based on 1-n-butyl-3-methylimidazolium (or 1-ethy-3-methylimidazolium) halides and halogenido-aluminates. Determination of the crystal structures by single-crystal X-ray diffraction enabled analysis of their bonding situation supported by quantum-chemical calculations. In general, the employed ILs enabled syntheses with a high selectivity for the yielded polycation. Depending on the investigated chemical system, the following parameters were pinpointed to have significant influence: • Choice of starting materials • Choice of cation as well as anion of the IL • Reaction temperature • Concentration of starting materials in the IL The investigations were supported by NMR spectroscopy, which led to the discovery of nanoparticles of red phosphorus. This finding may stimulate the development of an easily accessible, reactive form of phosphorus without the hazardous drawbacks of the white allotrope. In addition, in situ NMR measurements in ILs were proven a viable option for mechanistic investigations. Conventional solid-state reaction as well as ionothermal syntheses yielded the new layered compounds M2Bi2S3(AlCl4)2 (M = Cu, Ag), which can be interpreted as Bi2S3 molecules embedded in MAlCl4 salts. The choice of starting materials was found to have a crucial influence on the crystallized polytype. Omitting the IL hindered the formation of crystals suitable for single-crystal structure determination. The three new main-group element heteropolycations [Bi6Te4Br2]4+, [Bi3S4AlCl]3+, and [Sb13Se16]7+ as well as known [Bi4Te4]4+ has been synthesized under ionothermal conditions. The Lewis-acidic ILs proved to be exceptional solvents for elements and their halides, and likewise for Bi2S3 and Bi2Te3. Hence, these solvents are not only advantageous reaction media for pnictogen and chalcogen chemistry but also potential (selective but expensive) ore-processing agents. These excellent solvent capabilities extend to complex ternary compounds including heavy transition metals such as Bi16PdCl22 and elemental platinum. This gave rise to the synthesis of metal-rich salts containing [Bi10]4+ antiprisms with an endohedral palladium or, for the first time, platinum atom. Furthermore, the filled bismuth polycation [Rh@Bi9]4+ or the complex cluster [Rh2Bi12]4+ could be obtained from dissolution and conversion of Bi12−xRhX13–x (X = Cl, Br) depending on the employed IL. Real-space bonding analysis revealed that [Rh2Bi12]4+ acquires a unique standing between dative bonding by bismuth polyions and mixed clusters following Wade-Mingos rules. References [1] J. S. Wilkes, P. Wasserscheid, T. Welton, in Ionic Liquids in Synthesis (Eds.: P. Wasserscheid, T. Welton), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2007, pp. 1–6. [2] A. M. Guloy, R. Ramlau, Z. Tang, W. Schnelle, M. Baitinger, Y. Grin, Nature 2006, 443, 320–323. [3] Y. Lin, W. Massa, S. Dehnen, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4497–4500. [4] E. Ahmed, D. Köhler, M. Ruck, Z. Anorg. Allg. Chem. 2009, 635, 297–300. [5] E. Ahmed, J. Beck, J. Daniels, T. Doert, S. J. Eck, A. Heerwig, A. Isaeva, S. Lidin, M. Ruck, W. Schnelle, et al., Angew. Chem. 2012, 124, 8230–8233; Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 8106–8109.

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.

Die vorgelegte Arbeit entstand im Zeitraum zwischen 04/2016 bis 10/2020 und wurde durch ein Promotionsstipendium des evangelischen Studienwerks Villigst e.V. gefördert. Das Ziel der vorgelegten Arbeit ist die Etablierung einer einheitlichen und automatisierten Co-Fällungsmethode für die Mischoxidsysteme der Form CeaMbOx mit M = Bi, Fe und Mn, die als Katalysatoren für den Abbrand eines Modelldieselrußes dienen. Für den thermogravimetrisch ermittelten Rußabbrand erfolgt die Kontaktierung zwischen Ruß und Katalysator im automatisierten Kontakt. Als Kenngrößen der Aktivität finden spezifische Abbrandtemperaturen sowie die dynamische Sauerstoffspeicherkapazität Anwendung.:Bibliographische Beschreibung und Referat III Danksagung VII Inhaltsverzeichnis IX 1. Einleitung 1 2. Zielsetzung 3 3. Theorie 5 3.1 Katalyse 5 3.2 Autoabgaskatalyse 5 3.2.1 Abgaskatalyse bei Ottomotoren 6 3.2.1.1 Dreiwegekatalysator 6 3.2.1.2 Benzinpartikelfilter 8 3.2.2 Autoabgaskatalyse bei Dieselmotoren 9 3.2.2.1 NOx-Kontrolle 10 3.2.2.2 Dieseloxidationskatalysator 11 3.2.2.3 Entfernung von Dieselruß 11 3.3 Oxidation von Ruß 17 3.3.1 Bildung von Ruß 17 3.3.1.1 Bildung von Aromaten 17 3.3.1.2 Wachstum von Aromaten 19 3.3.1.3 Partikelbildung 20 3.3.1.4 Oberflächenreaktionen 21 3.3.1.5 Partikelkoagulation 22 3.3.2 Mechanismus zur Oxidation von Ruß 23 3.3.2.1 Unkatalysierte Oxidation von Ruß mit O2 23 3.3.2.2 Unkatalysierte Oxidation von Ruß mit NO2 29 3.3.2.3 Katalysierte Oxidation von Ruß 31 3.4 CeO2 und CeO2-basierte Katalysatoren 42 3.4.1 CeO2 42 3.4.2 Cer-Bismut-Oxide 45 3.4.3 Cer-Eisen-Oxide 49 3.4.4 Cer-Mangan-Oxid 52 3.4.5 Zusammenfassung der Literaturrecherche 55 3.5 Synthese von Katalysatoren 56 3.5.1 Fällungsreaktionen 56 3.5.1.1 Allgemeine Grundlagen von Fällungsreaktionen 56 3.5.1.2 Ablauf von Fällungsreaktionen 57 3.5.1.3 Übersättigung 58 3.5.1.4 Keimbildung 59 3.5.1.5 Änderung der freien Enthalpie bei der Keimbildung 60 3.5.1.6 Kristallwachstum 62 3.5.1.7 Einflussgrößen auf Fällungsreaktionen 62 3.5.2 Sol-Gel-Synthese 63 3.5.3 Imprägnieren 64 3.5.4 Mikroemulsion 64 3.5.5 Weitere Synthesemethoden 64 4. Ergebnisse und Diskussion 66 4.1 Methodenentwicklung zur Bestimmung der Ionenkonzentration im Filtrat 66 4.1.1 Photometrische Bestimmung von Ce3+/4+, Bi3+ und Fe3+ 66 4.1.2 Photometrische Bestimmung von Manganionen 71 4.2 Weitere Filtratanalyse 73 4.3 Methodenentwicklung zur Analyse der Oxidproben 75 4.4 Kenngrößen zur Auswertung der Aktivitätsmessungen 80 4.5 Methodenentwicklung zur Kontaktierung von Ruß und Katalysator 83 4.6 Methodenentwicklung der Synthese am Syntheseroboter Chemspeed SLT 106 98 4.6.1 Allgemeine Beschreibung des Syntheseroboters Chemspeed SLT 106 98 4.6.2 Vorversuche mit den Modulen Reaktorblock und Vial 99 4.6.3 Modifizierung des Aufbaus der Chemspeed SLT 106 103 4.6.4 Optimierung der Dosierparameter an der Chemspeed SLT 106 104 4.7 Cer-Bismut-Oxid 107 4.7.1 Auswertung der Vorversuche 107 4.7.1.1 Vorversuche zur Fällung von Bi2O3 108 4.7.1.2 Vorversuche zur Fällung von CeO2 112 4.7.1.3 Zusammenfassung der Vorversuche 119 4.7.2 Synthese der Fällungsbibliotheken für das CeaBibOx-System 122 4.7.2.1 Titrator-Fällungsbibliothek 124 4.7.2.2 Einfluss der Dosiergeschwindigkeit des Fällungsmittels auf die Partikelgröße des Niederschlages 132 4.7.2.3 Chemspeed-Fällungsbibliothek 133 4.7.2.4 Reverse Strike Chemspeed-Fällungsbibliothek 148 4.7.2.5 Normale Fällung mit Ölsäure – Fällungsbibliothek II 160 4.7.2.6 Zusammenfassung der CeaBibOx-Fällungsbibliotheken 179 4.8 Cer-Eisen-Oxid 182 4.8.1 Vorversuche zur Fällung von Eisenoxiden 182 4.8.2 Vorversuche zur Fällung von Cer-Eisen-Oxiden 186 4.8.3 Synthese der Fällungsbibliotheken für das CeaFebOx-System 190 4.8.3.1 Chemspeed-Fällungsbibliothek mit H2O als Lösungsmittel 190 4.8.3.2 Reverse Strike-Fällungsbibliothek mit H2O als Lösungsmittel 202 4.8.3.3 Reverse Strike-Fällungsbibliothek mit HNO3 als Lösungsmittel 212 4.8.3.4 Zusammenfassung der CeaFebOx-Fällungsbibliotheken 223 4.9 Cer-Mangan-Oxid 226 4.9.1 Vorversuche zur Fällung von Manganoxiden 226 4.9.2 Vorversuche zur Fällung von Cer-Mangan-Oxiden 230 4.9.3 Synthese der CeaMnbOx-Fällungsbibliotheken 231 4.9.3.1 Chemspeed-Fällungsbibliothek mit H2O als Lösungsmittel 231 4.9.3.2 Reverse Strike-Fällungsbibliothek mit H2O als Lösungsmittel 243 4.9.3.3 Reverse Strike-Fällungsbibliothek mit HNO3 als Lösungsmittel 255 4.9.4 Zusammenfassung des CeaMnbOx-Systems 267 5 Zusammenfassung 269 6 Experimenteller Teil 275 6.1 Verwendete Chemikalien 275 6.2 Synthesevorschriften 276 6.2.1 Batch-Synthese am Titrator 276 6.2.2 Automatisierte Synthese 279 6.3 Kontaktierung von Ruß und Katalysator 283 6.4 Aktivitätsmessungen 284 6.4.1 Messung des Rußabbrandes 284 6.4.2 Messung der dynamischen Sauerstoffspeicherkapazität 285 6.5 Filtratanalyse 286 6.5.1 Photometrische Bestimmung von Bi3+, Ce4+ und Fe3+ 286 6.5.2 Photometrische Bestimmung von Mn2+ 287 6.6 Charakterisierung der Katalysatoren 288 6.6.1 Röntgenpulverdiffraktometrie (PXRD) 288 6.6.2 Ramanspektroskopie 288 6.6.3 Spezifische Oberfläche nach Brunauer, Emmett und Teller (SBET) 289 6.6.4 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) 289 6.6.5 Dynamische Lichtstreuung (DLS) 289 6.6.6 Statische Lichtstreuung (SLS) 290 6.6.7 Transmissionselektronenmikroskopie und Energiedispersive Röntgenspektroskopie (TEM/EDX) 291 7 Verzeichnisse 292 7.1 Abkürzungsverzeichnis 292 7.2 Abbildungsverzeichnis 300 7.3 Tabellenverzeichnis 308 7.4 Literaturverzeichnis 317 8 Anhang 344 Lebenslauf 355 Veröffentlichungen und andere wissenschaftliche Leistungen 356 Selbständigkeitserklärung 357

Topological insulators are a novel class of quantum materials wherein the bulk of the material is an insulator, while the surface or edge states are quantum mechanically protected and conducting. This class of materials offers a lot of promise in the fields of quantum computing and spintronics due to their inherent ability to conduct electrons without the loss of any energy over longer distances, thereby theoretically being able to solve the problems of heat accumulation and leaking of electrons due to tunnelling in current devices. To this end, this work focussed on three main objectives: (a) investigate known bismuth structures as hosts for topological and quantum effects, in particular as potential topological insulators; (b) exploring the possibilities of magnetic substitutions in both known weak 3D topological insulators and further bismuth subhalide structures; and (c) gaining an understanding of the formation processes of the aforementioned substitutions into the bismuth subhalide compounds through extensive thermal analyses. This was realised by investigating Bi2[PtBi6I12]3 and Bi14Rh3I9 as host structures, with the former being a topologically trivial compound and the latter a weak 3D topological insulator. Due to previous difficulties in substituting magnetic cations into Bi14Rh3I9, the initial focus of this work lay in substituting magnetic cations into Bi2[PtBi6I12]3. This work then showed that not only could infinite cluster strands containing the [PtBi6I12]2- clusters be formed with Pb, Sn and Sb in the counter-cation site between them, but that magnetic cations such as Mn, Fe and Co could also be substituted into bismuth subhalide structures. The latter in particular gave rise to novel physical properties in this class of compounds and illuminated and helped explain the previous challenges in substituting magnetic cations into the bismuth subhalides.