Pulverdiffraktometer
Final Report Abstract
Die moderne Röntgenbeugung an Pulvern ist heute geprägt von verbesserten Detektions- und Auswerteverfahren und der Möglichkeit von in situ Messungen beispielsweise durch Variation der Temperatur. Das beantragte Gerät wurde zum einen zur klassischen röntgenographischen Charakterisierung der Edukte und Produkte aus den Forschungsarbeiten und zum anderen von Arbeitsgruppen für die Reihenuntersuchungen von Produktserien verwendet. Dabei kam das Gerät insbesondere auch in der Charakterisierung von Nanopartikeln, deren Phasenzusammensetzung, Kristallitgröße und Anisotropie zum Einsatz. Für die kombinatorischen Untersuchungen an Nanochalkogeniden auf Eignung als Katalysatoren für Brennstoffzellenanwendungen und Untersuchungen zu Katalysatoren für Abgasfilter von Dieselmotoren zeigte sich der 90-fach Probenwechsler als hilfreich, um die anfallenden Probenmengen zügig abarbeiten zu können. Temperaturabhängige Phasenanalysen wurden durchgeführt, um die Stabilität und das Wachstum von Nanopulvern zu untersuchen. Aufgrund der Gerätekonfiguration (großer Messkreisradius) und des schnellen 1D-Detektors mit guter Energiediskriminierung konnten Beugungsdiagramme in hoher Winkelauflösung und mit sehr gutem Signalzu-Rausch-Verhältnis gewonnen werden. Die Qualität der Beugungsdiagramme ermöglichte in einigen Fällen nicht nur eine Rietveld-Analyse zur Strukturverfeinerung und Phasenanalyse, sondern sogar eine Strukturfindung aus Pulvermethoden. Beispielsweise konnte anhand einer Messung eines Probenpulvers die Kristallstruktur von Pb2PO4I bestimmt werden. Es handelt sich dabei um einen bis dato unbekannten Strukturtyp zu dem zwei weitere isotype Verbindungen identifiziert und eine Strukturverfeinerung durchgeführt werden konnte. Eine dieser Verbindungen erwies sich als nicht luftstabil und musste unter Ar- Atmosphäre vermessen werden. Diese Möglichkeit war bisher am Institut nicht vorhanden und zeigt die Leistungsfähigkeit der Methode auch für zukünftige Messanforderungen. Aus dem Bereich der Funktionsmaterialien konnten neue Kathodenmaterialien auf Basis von Na-Ionenleitern hergestellt und röntgenographisch untersucht werden. Diese bieten eine kostengünstige und umweltverträglichere Alternative zu den technisch derzeit häufig eingesetzten Li-Ionenleitern. In dem genannten Projekt wurde die chemische Sodiierung von V2O5 zu NaxV2O5 eingehend untersucht. Aus dem Bereich der Materialien für Energiespeicherung wurden intermetallische Phasen und deren Hydrierung, sowie andere hydridhaltige Verbindungen kristallographisch untersucht. Diese sind nicht nur als potenzielle Wasserstoffspeicher interessant, sondern auch als Wirtsgitter für Fluoreszenzmateralien. Die Diffraktion an Pulvern erlaubt hierbei eine erste Phasenanalyse, die durch Neutronenbeugung weiter verfeinert wurde. Im Bereich der nanoskaligen Materialien wurden unterschiedliche Methoden zur Synthese von oberflächenfunktionalisierten Nanopartikeln verwendet. Für die Charakterisierung dieser Materialien stellt die Pulverdiffraktion eine wichtige Routinemethode dar. In diesen Projekten wurden so verschiedene Materialien wie SiO2, TiO2, ZnO, Fe3O4 oder CdS in Optimierung von etablierten Verfahren (z.B. Sol-Gel- Synthese) hergestellt oder im Rahmen von neuen Synthesewegen (z.B. Mikro-Jet-Verfahren, mechanochemische Synthese) untersucht. Die Produkte wurden röntgenographisch in Bezug auf Kristallstruktur, Phasenzusammensetzung und Realbau charakterisiert. Die Kristallitgröße, eine der Realbaueigenschaften, ist ein wichtiges Kriterium für oberflächenintensive Arbeiten. Die Oberflächenfunktionalisierung der Nanopartikel zum Erreichen besonderer Eigenschaften war in vielen dieser Projekte eine wesentliche Triebkraft. Es konnte mittels Pulverdiffraktion gezeigt werden, dass die Agentien, die für die Oberflächenfunktionalisierung Verwendung finden, durchaus auch einen Einfluss auf die kristallographischen Phasen nehmen. So konnte durch die Verwendung von Organophosphonaten als oberflächenaktive Gruppen in mechanochemischen Experimenten bei der Behandlung von Titandioxid eine Stabilisierung einer Hochdruckphase erreicht werden. In weiteren Experimenten wurden Superparamagnetische Nanopartikel über verschiedene Verfahren hergestellt und in Polymermatrices eingebettet. Die Röntgenbeugung ermöglichte neben anderen Verfahren (z.B. TEM, DLS) die Charakterisierung der primären Nanopartikel und der oberflächenmodifizierten Teilchen. Die entstandenen Nanokomposite zeigen selbstheilende Eigenschaften bei Anregung im elektromagnetischen Wechselfeld. Um die thermische Belastbarkeit oberflächenmodifizierter Körper zu untersuchen, wurde neben den Methoden der thermischen Analyse auch in-situ Untersuchungen in der Hochtemperaturkammer am Pulverdiffraktometer durchgeführt. Um den Einfluss von Umgebungsbedingungen zu verfolgen wurden die Messungen in unterschiedlichen Atmosphären (Vakuum, Luft, geregelter Sauerstoffstrom) durchgeführt. Es zeigte sich hierbei ein großer Einfluss der monomolekularen Schichten auf der Partikeloberfläche auf die kristallinen Wachstumsprozesse. In neueren interdisziplinären Projekten mit der Fachrichtung Pharmazie an der Universität des Saarlandes wurden neue Nanopartikel auf Basis von Hydroxyapatit entwickelt und als Carrier für die Transfektion eingesetzt. Die verwendete in-situ Methode zur Herstellung der Partikel zeigte eine starke Abhängigkeit der kristallinen Phasenzusammensetzung vom Syntheseweg, und es konnte wissenschaftlich nachgewiesen werden, dass die unterschiedlichen kristallinen Phasen eine unterschiedliche Leistungsfähigkeit in der Transfektion ermöglichen. Des Weiteren fand das Pulverdiffraktometer auch Einsatz in der studentischen Ausbildung. So wurde die Methode der modernen Pulverdiffraktion in der Praxis in vereinzelten Experimenten den Studierenden bzgl. der Messtechnik und der Auswertung der erhaltenen Diffraktogramme mit Hilfe des Gerätes vermittelt.
Publications
- One-step synthesis of nano-sized and stable aminofunctionalized calcium phosphate particles for DNA transfection. Chem. Mater. 25 (2013) 3667-3674
Babak Mostaghaci, Brigitta Loretz, Robert Haberkorn, Guido Kickelbick, Claus-Michael Lehr
- Synthesis of Surface-Functionalized Titania Particles with Organophosphorus Coupling Agents by Reactive Milling. European Journal of Inorganic Chemistry (2013), 5701-5707
Annika Fischer, Christoph Ney, Guido Kickelbick
- Ba2PO4I, Sr2PO4I and Pb2PO4I – A new Structure Type and three of its Representatives. Z. Anorg. Allg. Chemie 640/15 (2014) 3153-3158
Robert Haberkorn, Jessica Bauer, Guido Kickelbick
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Annika Betke, Guido Kickelbick
(See online at https://doi.org/10.3390/inorganics2010001) - Chemical Sodiation of V2O5 by Na2SZ. Anorg. Allg. Chemie 640/15 (2014) 3197-3202
Robert Haberkorn, Jessica Bauer, Guido Kickelbick
(See online at https://doi.org/10.1002/zaac.201400381) - Long Alkyl Chain Organophosphorus Coupling Agents for in Situ Surface Functionalization by Reactive Milling. Inorganics 2/3 (2014) 410-423
Annika Betke, Guido Kickelbick
(See online at https://doi.org/10.3390/inorganics2030410) - Green Luminescence of Divalent Europium in the Hydride Chloride EuHCl. Z. Anorg. Allg. Chemie 641/7 (2015) 1220-1224
Nathalie Kunkel, Daniel Rudolph, Andries Meijerink, Stefan Rommel, Richard Weihrich, Holger Kohlmann, Thomas Schleid
(See online at https://doi.org/10.1002/zaac.201400531) - Transfection System of Amino-Functionalized Calcium Phosphate Nanoparticles: In Vitro Efficacy, Biodegradability, and Immunogenicity Study. ACS Applied Materials & Interfaces 7 (2015), 5124-5133
Babak Mostaghaci, Julia Susewind, Guido Kickelbick, Claus-Michael Lehr, Brigitta Loretz
(See online at https://doi.org/10.1021/am507193a)
