Die Hydrierung von Zintl-Phasen führt zur Bildung von Einlagerungshydriden, die ausschließlich von Kationen koordiniert sind, zu polyanionischen Hydriden, bei denen Wasserstoff kovalent an das stärker elektronegative Element bindet, oder zu einer Kombination von beiden Motiven. Es wurde eine Reihe neuer Verbindungen dargestellt und mittels Laborröntgen-, Synchrotron- und Neutronenpulverbeugung strukturell charakterisiert. Die meisten Beispiele werden durch die Hydrierung von Zintl-Phasen im CrB- oder FeB-Strukturtyp erhalten. Die beiden Typen sind strukturell eng verwandt. Sie sind durch das Auftreten von polyanionischen Zickzackketten gekennzeichnet. Die Einlagerungshydride LnTtH (Ln = La, Nd, Tt = Si, Ge, Sn) sind Oxidationsprodukte der formal metallischen Zintl-Phasen LnTt = Ln3+ Tt2- e- . Wasserstoff besetzt dabei Ln-Tetraederlücken. Die Produkte treten als gefüllter FeB- (P -Phase, LaGeH-Strukturtyp) oder als gefüllter CrB-Strukturtyp (C -Phase, NiZrH-Strukturtyp) auf. Die Hydrierung der elektronenpräzisen Zintl-Phasen AeTt (Ae = Sr, Ba, Tt = Ge, Sn, CrB-Strukturtyp) führt zu wasserstoffarmen (AeTtHy , y < 1) und wasserstoffreichen (AeTtHy , 1 < y ≤ 2) Phasen. Erstere weisen partiell gefüllte Ae4-Lücken auf. In Phasen mit kleinem y (< 0.4) wird der Wasserstoff statistisch über die Lücken verteilt (α-Phasen). Etwas höhere Gehalte führen zu partieller (β-SrGeHy , 0.47 < y < 0.75) oder vollständiger (β-BaGeH0.5 ) Ordnung. Die wasserstoffreichen Phasen AeTtHy , 1 < y ≤ 2 (γ-Phasen), zeigen sowohl die Strukturmotive von Einlagerungs- als auch von polyanionischen Hydriden. SrSiH1.6 und BaSiH1.9 als literaturbekannte Verbindungen wurden das erste mal strukturell charakterisiert. Die homologe Reihe konnte um SrGeH1.2 , BaGeH1.6 und BaSnH1.3 erweitert werden. Die Ae4 -Tetraeder sind in diesen Phasen vollständig mit Hydridionen besetzt. Zusätzlicher Wasserstoff bindet kovalent an die Polyanionen. Außerdem verknüpfen sich die Zickzackketten z. T. senkrecht zur Kettenrichtung. Es wurden insgesamt drei Strukturtypen differenziert, die alle strukturell eng verwandt sind. Das führt zu Problemen bei der Strukturbestimmung aus Pulverdaten. Der kovalente Charakter der Bindung wurde durch Festkörperkernresonanzspektroskopie und Dichtefunktionaltheorierechnungen charakterisiert. Typische Tetrel-Wasserstoff-Bindungslängen sind 155(2) pm (Si-H), 163(2) pm (Ge-H) und 186(1) pm (Sn-H). In situ -Neutron, Röntgen- und Synchrotronpulverbeugung wurden angewandt um Reaktionsabläufe aufzuklären. Beim Heizen unter Wasserstoffdruck treten im AeTt-H2 -System (Ae = Sr, Ba, Tt = Ge, Sn) verschiedene reversible Reaktionen zwischen den γ-, β- und α-Phasen auf, bevor ein irreversibler Zersetzungsschritt in die binären Hydride AeH2 und die Tt-reichen Zintl-Phasen AeTt2 beobachtet wird. Ein In situ Beugungsexperiment der Reaktion von NdGa mit Wasserstoff zeigt direkt die Bildung von NdGaH1+x (isostrukturell zu γ-AeTtHy ), das eine Zusammensetzung von mindestens x = 0.17 bis 0.80 aufweist. Die Ga-H Abstände sind lang (ca. 200 pm) und darum keine klassischen 2-Elektronen-2-Zentrenbindungen. In situ Beugung an den Reaktionen von KSi und CsSi mit Wasserstoff konnte gezeigt werden, dass die Hydride KSiH3 und CsSiH3 in einem Schritt gebildet werden. Diese Phasen weisen SiH3--Anionien auf, die isoelektronisch zu PH3 sind. Weiteres Heizen unter Wasserstoffdruck führt zur Zersetzung in KH und K8Si46 oder zur Rückbildung von CsSi. Außerdem wurde eine Reihe weiterer Verbindungen auf die Reaktivität gegenüber Wasserstoff untersucht. Die Phasen AeTt2 , AGe und ASixGe1-x (A = K, Rb, Cs) bilden keine Hydride unter den untersuchten Bedingungen (mindestens 5 MPa H2, 700 K). Die Gallide CaGa, Sr8Ga7 und Ba8Ga7 weisen Reaktivität gegenüber Wasserstoff auf. Diese Beispiele zersetzen sich in binäres Hydrid und die galliumreichen Phasen Ca3Ga8, SrGa4 und BaGa4 . In situ Laborröntgenbeugung der Reaktion von CaGa mit Wasserstoff führt zur Bildung einer neuen, kristallinen Phase. Bildung und Zersetzung laufen in einem sehr schmalen Temperaturfenster ab. Die neue Phase konnte noch nicht charakterisiert werden. / The hydrogenation of Zintl phases leads to interstitial hydrides that are coordinated exclusively by cations, polyanionic hydrides that exhibit a covalent bond to the more electronegative element, or a combination of both motifs. A series of new compounds is prepared and structurally characterised by laboratory X-ray, synchrotron and neutron powder diffraction. Most examples can be derived via hydrogenation of CrB- or FeB-type Zintl phases. These structure types are closely related and characterised by polyanionic zigzag chains. The interstitial hydrides LnTtH (Ln = La, Nd, Tt = Si, Ge, Sn) are oxidation products of the formally metallic Zintl phases LnTt = Ln3+ Tt2- e- . Hydrogen occupies tetrahedral Ln4-voids. The products occur as a filled FeB-type phase (P-phase, LaGeH-structure type) or a filled CrB-type phase (C-phase, ZrNiH-structure type). The hydrogenation of electron-precise Zintl phases AeTt (Ae = Sr, Ba, Tt = Ge, Sn, CrB-structure type) leads to hydrogen-poor (AeTtHy , y < 1) and hydrogen-rich phases (AeTtHy , 1 < y ≤ 2). The first show partially hydrogen-filled Ae4-voids. For low contents y < 0.4, hydrogen is statistically distributed over the voids (α-phases). Slightly increased hydrogen contents lead to partial (β-SrGeHy , 0.47 ≤ y ≤ 0.75) or full ordering (β-BaGeH0.5 ). The hydrogen-rich phases AeTtHy, 1 < y ≤ 2 (γ-phases), combine interstitial and polyanionic hydride motifs. The literature-known phases SrSiH1.6 and BaSiH1.9 could be structurally characterised for the first time. The homologue series was extended to SrGeH1.2, BaGeH1.6 and BaSnH1.3 . Tetrahedral Ae4-voids are totally filled with hydride anions. The additional hydrogen binds to the polyanions. Furthermore, some of the zigzag chains are interconnected perpendicular to the chain direction. Three different structure types exhibiting a close structural relationship were identified. This leads to difficulties in structure determination from powder diffraction. The covalent character of the bond is characterised by solid-state nuclear magnetic resonance and density functional theory calculations. Typical tetrel-hydrogen bond lengths are 155(2) pm (Si-H), 163(2) pm (Ge-H) and 186(1) pm (Sn-H). In situ neutron, X-ray and synchrotron powder diffraction were used to elucidate reaction schemes. The AeTt-H2 systems (Ae = Sr, Ba, Tt = Ge, Sn) show several reversible reaction steps between γ-, β- and α-phases upon heating under hydrogen pressure. Finally, an irreversible decomposition into the binary hydrides AeH2 and Tt-rich Zintl phases AeTt2 occurs. In situ diffraction of the reaction of NdGa with hydrogen leads directly to NdGaH1+x (isostructural to γ-AeTtHy ) which shows a large compositional range from at least x = 0.17 to 0.80. Ga-H distances are long (about 200 pm) and, thus, not classical 2-electron-2-center bonds. In situ diffraction of the reactions of KSi and CsSi with hydrogen show a one step formation of the corresponding hydrides KSiH3 and CsSiH3 . They exhibit SiH3--anions which are isoelectronic to PH3 . Further heating under hydrogen pressure leads to decomposition into KH and K8Si46 or reformation of CsSi, respectively. Finally, further compounds were tested for reactivity towards hydrogen. The phases AeTt2 (Ae = Ca, Sr, Ba, Tt = Si, Ge), AGe and ASixGe1-x (A = K, Rb, Cs) do not form corresponding hydrides under the investigated conditions (at least 5 MPa H2, 700 K). The gallides CaGa, Sr8Ga7 and Ba8Ga7 show reactivity towards hydrogen. They decompose into binary hydride and the gallium-rich phases Ca3 Ga8 , SrGa4 or BaGa4. Furthermore, laboratory in situ diffraction of the reaction of CaGa with hydrogen indicates the formation of a new, crystalline phase. Formation and decomposition occur in a relative small temperature window. The new phase could not be characterised, yet.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:31835 |
| Date | 01 October 2018 |
| Creators | Auer, Henry |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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