Köln, Universiẗat, Diss., 2003.

Zugl.: Clausthal, Techn. Univ., Diss., 2007

In der vorliegenden Arbeit wird die Darstellung und Charakterisierung von Komplexen, Koordinationspolymeren und MOFs auf der Basis von dreiwertigen Lanthanidchloriden und verschiedenen verbrückenden Azin- und Diazin-Liganden beschrieben. Ziel war es neuartige Koordinationspolymere mit effektiven Photolumineszenzeigenschaften zu generieren. Es konnten 44 neue organisch-anorganische Hybridmaterialien präsentiert werden. Der Fokus der Arbeit lag neben der strukturellen Charakterisierung auf der Bestimmung der Photolumineszenzeigenschaften und der Betrachtung der thermischen Eigenschaften der Verbindungen. Bei solvothermalen Reaktionen von wasserfreien Lanthanidchloriden mit den Liganden 4,4‘-Bipyridin (bipy) und Pyridin (py) konnten die dinuklearen Komplexe [Ln2Cl6(bipy)(py)6] mit Ln = Y, Pr, Nd, Sm-Yb, die strangartigen Koordinationspolymere 1∞[LnCl3(bipy)(py)2]·(py) mit Ln = Gd-Er, Yb und 1∞[Lu2Cl5(bipy)2 (py)4]1∞[LuCl4(bipy)], sowie das 2D-Netzwerk 2∞[Ce2Cl6(bipy)4]·(py) synthetisiert und mithilfe der Röntgeneinkristallstrukturanalyse charakterisiert werden. Spektroskopische Untersuchungen an den Verbindungen ergaben außergewöhnliche Photolumineszenzeigenschaften auf der Basis von Ln3+-Ionen mit Emissionen im UV-VIS und NIR-Bereich. Im Falle des dinuklearen Komplexes konnten mithilfe der Ionen Y3+, Gd3+, Tb3+ und Eu3+ Lichtemission in den RGB-Grundfarben generiert werden. Der Einfluss salzsaurer Bedingungen führt zur Bildung der pyridiniumhaltigen Nebenphasen [Hpy]1∞[LnCl4(bipy)] mit Ln = Y, Tb), Yb, Lu, [Hpy]22∞[Sm2Cl8(bipy)3]·2(py) und [Hdpa] [EuCl4(dpa)]. Unter der Verwendung einer Schmelzsyntheseroute wurden die Verbindungen 3∞[La2Cl6(bipy)5] ·4(bipy) 2∞[Ln2Cl6(bipy)3]·2(bipy) mit Ln = Nd, Sm-Dy, Er, Yb und eine Dotierreihe mit Ln = Gd2-x-yEuxTy (x,y = 0-1), welche vor einigen Jahren im Arbeitskreis von Prof. Müller-Buschbaum et al. entdeckt wurden, dargestellt. Der Fokus der Arbeit lag hierbei auf der Bestimmung der Photolumineszenzeigenschaften der Netzwerke, wobei vor allem bei der Dotierreihe unter der Verwendung von Ln3+-zentrierter Emission ein stufenloses Farbtuning der Emissionsfarbe von grün nach rot erreicht werden konnte. Zusätzlich wurden an diesen Verbindungen systematische Untersuchungen zur strukturellen Aufklärung, der bei höheren Temperaturen entstehenden Netzwerk- und Gerüstverbindungen, durchgeführt. Hierbei konnten Kondensationsprodukte wie 3∞[LaCl3(bipy)], 2∞[Ln3Cl9(bipy)3] mit Ln = Pr, Sm, 2∞[Ho2Cl6(bipy)2] und 2∞[Gd2Cl6(qtpy)(bpy)]·(bipy) strukturell aufgeklärt werden. Die Übertragung der solvothermalen Syntheseroute unter der Verwendung von Pyridin auf die gegenüber bipy verlängerten Azin-Liganden Dipyridylethen (dpe) bzw. –ethan (dpa) erwies sich als erfolgreich und resultierte in eine Erweiterung der Strukturchemie durch die Darstellung der lumineszierenden Koordinations-polymere 2∞[La2Cl6(dpe)3(py)2]·(dpe), 1∞[LnCl3(dpe)(py)2]·0.5(dpe)0.5(py) mit Ln = Eu, Gd, Er, 2∞[LaCl3(dpa)2]·(dpa) und 1∞[LnCl3(dpa)(py)2]·0.5(dpa)0.5(py) mit Ln = Gd, Er. Eine Verkürzung des bipy-Liganden in Form der Di-Azinen wie Pyrazin (pyz), Pyrimidin (pym) und Pyridazin (pyd) und deren Umsetzung mit LnCl3 führte zur Bildung von Komplexen und polymeren Strukturen wie 3∞[LaCl3(pyz)], [Ln2Cl6(pyz)(py)6]·2(pyz) mit Ln = Sm, Er, 1∞[Sm2Cl6(μ-pym)2(pym)3]·(pym), [Er2Cl6(pym)6] und [ErCl3(η-pyd)(pyd)2] mit Lumineszenzeigenschaften auf der Basis der jeweiligen Liganden und Ln3+-Ionen. / The present work is about the synthesis and characterization of complexes, coordination polymers and MOFs based on trivalent lanthanidechlorides and different bridging azine and diazine ligands. The creation of new coordination polymers with effective photoluminescent properties was a main goal of this thesis. Therefore, 44 new organic-inorganic hybrid-materials are presented in this work. Main focus of investigation was on structural characterization and determination of photoluminescence and thermal properties of the synthesized compounds. Solvothermal reactions of anhydrous lanthanidechlorides with the ligand 4,4‘-bipyridine (bipy) and pyridine (py) lead to dinuclear complexes [Ln2Cl6(bipy)(py)6] with Ln = Y, Pr, Nd, Sm-Yb, strand-like coordination polymers 1∞[LnCl3(bipy)(py)2]·(py) with Ln = Gd-Er, Yb and 1∞[Lu2Cl5(bipy)2(py)4]1∞[LuCl4(bipy)] and also 2D-networks like 2∞[Ce2Cl6(bipy)4]·(py) could be obtained and characterized by single-crystal-X-ray-stucture-determination. Spectroscopic investigations revealed extraordinary photoluminescence properties based on Ln3+-ions with light emission in the UV-VIS and NIR range. Especially the dinuclear complexes containing Y3+, Gd3+, Eu3+ and Tb3+ ions showed the RGB basic colors, allowing color tuning in the visible range. The influence of hydrochloric conditions lead to the formation of the pyridinium containing side phases [Hpy]1∞[LnCl4(bipy)] with Ln = Y, Tb, Yb, Lu, [Hpy]22∞[Sm2Cl8(bipy)3]·2(py) and [Hdpa]1∞[EuCl4(dpa)]. Furthermore, the compounds 3∞[La2Cl6(bipy)5]·4(bipy), 2∞[Ln2Cl6(bipy)3]·2(bipy) with Ln = Nd, Sm-Dy, Er, Yb and a solid solution with Ln = Gd2-x-yEuxTy (x,y = 0-1), which were discovered in the research group of Prof. Müller-Buschbaum et al., were synthesized by using a melt-synthesis route. Hereby, the emphasis was on the investigation of photoluminescence properties of the networks, most notably the color tuning properties based on Ln3+centered emission of the solid solution in the color range from green to red. Additionally, systematic investigations were performed on the networks for the determination of high-temperature dependent structural changes, leading to the structural characterization of the structural condensation products 3∞[LaCl3(bipy)], 2∞[Ln3Cl9(bipy)3] with Ln = Pr, Sm, 2∞[Ho2Cl6(bipy)2] and 2∞[Gd2Cl6(qtpy)(bipy)]·(bipy). The transfer of the solvothermal reaction route with the use of pyridine as solvent on the ligands dipyridylethene (dpe) and -ethane (dpa) was successful, also leading to luminescent coordination polymers in 2∞[La2Cl6(dpe)3(py)2]·(dpe), 1∞[LnCl3(dpe)(py)2]·0.5(dpe)0.5(py) wih Ln = Eu, Gd, Er, 2∞[LaCl3(dpa)2]·(dpa) and 1∞[LnCl3(dpa)(py)2]·0.5(dpa)0.5(py) with Ln = Gd, Er. The shortening of the bipy ligand by using diazines, like pyrazine (pyz), pyrimidine (pym) and pyridazine (pyd) as connector ligands, resulted in the extension of coordination compounds based on LnCl3 and diazine building blocks. Therefore, complexes and coordination polymers like 3∞[LaCl3(pyz)], [Ln2Cl6(pyz)(py)6]·2(pyz) with Ln = Sm, Er, 1∞[Sm2Cl6(μ-pym)2(pym)3]·(pym), [Er2Cl6(pym)6] and [ErCl3(η-pyd)(pyd)2] were discovered and characterized. Furthermore, first basic luminescence properties of the used ligands and their interaction with Ln3+-ions were investigated.

Regensburg, Univ., Diss., 2003. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2003.

Die 17 Elemente der Seltenen Erden sind Bestandteil vieler Hochtechnologieprodukte, wie Elektromotoren, Spezialgläsern oder Katalysatoren, dennoch liegt die Recyclingrate aus End-of-Life-Produkten derzeit unter 1 %. Mit der Feststoffchlorierung wurde im Rahmen dieser Arbeit eine chemikalien- und kostensparende Methode für den Aufschluss Seltener Erden aus Leuchtstoff- und Magnetabfällen untersucht. Dabei wurden die gemahlenen Edukte mit NH4Cl vermischt und anschließend im Drehrohrofen erhitzt. Durch thermische Zersetzung des NH4Cl wird HCl- und NH3-Gas freigesetzt. Ersteres überführt die Seltenen Erden in die wasserlöslichen Metallchloride, während der NH3 im Prozess als Lösung in 5N-Reinheit anfiel. Die Seltenerdausbeuten lagen je nach Ausgangsstoff zwischen 83,9 und 99,9 %. Die Optimierung der Feststoffchlorierung erfolgte anhand statistischer Versuchspläne, wodurch neue, überraschende Erkenntnisse im Hinblick auf Reaktionsverläufe, Selektivitäten und Prozessführung gewonnen werden konnten.

Die 17 Elemente der Seltenen Erden sind Bestandteil vieler Hochtechnologieprodukte, wie Elektromotoren, Spezialgläsern oder Katalysatoren, dennoch liegt die Recyclingrate aus End-of-Life-Produkten derzeit unter 1 %. Mit der Feststoffchlorierung wurde im Rahmen dieser Arbeit eine chemikalien- und kostensparende Methode für den Aufschluss Seltener Erden aus Leuchtstoff- und Magnetabfällen untersucht. Dabei wurden die gemahlenen Edukte mit NH4Cl vermischt und anschließend im Drehrohrofen erhitzt. Durch thermische Zersetzung des NH4Cl wird HCl- und NH3-Gas freigesetzt. Ersteres überführt die Seltenen Erden in die wasserlöslichen Metallchloride, während der NH3 im Prozess als Lösung in 5N-Reinheit anfiel. Die Seltenerdausbeuten lagen je nach Ausgangsstoff zwischen 83,9 und 99,9 %. Die Optimierung der Feststoffchlorierung erfolgte anhand statistischer Versuchspläne, wodurch neue, überraschende Erkenntnisse im Hinblick auf Reaktionsverläufe, Selektivitäten und Prozessführung gewonnen werden konnten.:Danksagung iii Publikationsliste iv Inhaltsverzeichnis vii Abkürzungsverzeichnis ix 1. Einleitung 1 2. Seltene Erden 4 2.1 Wirtschaftliche Bedeutung 4 2.2 Primärrohstoffe 9 2.3 Sekundärrohstoffe 16 2.3.1 Recycling von Altmagneten 24 2.3.2 Recycling von Leuchtstoffabfällen 27 3. Feststoffchlorierung 33 3.1 Leuchtstoffe 33 3.1.1 Ausgangsstoff und Eingangsanalytik 33 3.1.2 Zersetzung des NH4Cl 36 3.1.3 Reaktordesign 41 3.1.4 Orientierungsversuche 46 3.1.5 Optimierung 51 3.1.6 Recyclingprozess 66 3.1.7 Fazit 70 3.2 Fe14Nd2B-Magneten 71 3.2.1 Ausgangsstoff und Eingangsanalytik 71 3.2.2 Orientierungsversuche 75 3.2.3 Optimierung nach 33-Box-Behnken 79 3.2.4 Aufklärung des fehlenden NH4Cl-Einflusses 81 3.2.5 Optimierung nach 43-Box-Behnken 88 3.2.6 Einfluss der Partikelgrößen 99 3.2.7 Zusammensetzung der Gasphase 104 3.2.8 Reinheit der NH3-Lösung 106 3.2.9 Fällung der Seltenen Erden 109 3.2.10 Recyclingprozess 112 3.2.11 Fazit 120 3.3 SmCo5-Magneten 121 3.3.1 Ausgangsstoff und Eingangsanalytik 121 3.3.2 Orientierungsversuche 126 3.3.3 Optimierung nach 43-Box-Behnken 128 3.3.4 Nachweis der Teilselektivität 133 3.3.5 Fazit 140 4. Zusammenfassung und Ausblick 142 5. Experimenteller Teil 145 5.1 Materialien und Chemikalien 145 5.2 Geräte 146 5.3 Analytische Methoden 146 5.4 Versuchsvorschriften 151 Literatur 156 Anhang 163