Entwicklung einer hochdurchsatzgeeigneten Hot Injection Syntheseroute zur kombinatorischen Suche nach Nanochalkogenidkatalysatoren für Brennstoffzellenanwendungen und Aufbau eines automatisierten Low Thermal Mass Parallelreaktorsystems

Abstract

In dieser Arbeit wurde eine hochdurchsatztaugliche Syntheseroute zur Herstellung von Übergangsmetallchalkogeniden im Nanometerbereich nach dem Prinzip der Heißinjektionsmethode entwickelt. Auf Seiten der Metalle kamen dabei als Präkursoren die Oleate von Cadmium, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Kupfer zum Einsatz. Als Anionenvorstufen wurde das Hauptaugenmerk auf die Verwendung von Tri-n-octylphosphinchalkogeniden mit Schwefel, Selen und Tellur gelegt. Es wurden zwei grundlegend unterschiedliche Gruppen von Verbindungen synthetisiert: zum einen Metallmischchalkogenide von Cadmium bzw. Nickel und zum anderen Mischmetallsulfide in diversen polynären Systemen aus Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Kupfer. Die erhaltenen Partikel wurden hinsichtlich ihrer Einheitlichkeit, ihrer Größe, ihrer Struktur und ihrer Zusammensetzung charakterisiert. In Anlehnung an die Arbeiten von Chan et al. wurde parallel dazu eine automatisierte Mehrfachreaktoranlage aufgebaut und in die Arbeitsplattform eines Chemspeed ASW2000 Syntheseroboters implementiert. [1] Dazu wurde ein Zehnfach-Reaktorsetup nach dem Low Thermal Mass-Prinzip geplant, konstruiert und aufgebaut. Alle Reaktoren können individuell auf bis zu 290 °C erhitzt und in kurzer Zeit durch eine Luftkühlung auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

In this work, a high-throughput suitable synthetic route for the preparation of transition metal chalcogenides in the nanometer range was developed on the principle of the hot-injection method. On sides of the metal components, the oleates of cadmium, manganese, iron, cobalt, nickel and copper were used as precursors. Concerning to the anion sources, the main focus of attention was placed on the use of tri-n-octylphosphine chalcogenides with sulfur, selenium and tellurium. Two fundamentally different groups of compounds were synthesized; firstly, metal mixed chalcogenides of cadmium and nickel and secondly, mixed metal chalcogenides in various polynary systems of manganese, iron, cobalt, nickel and copper. The obtained particles were characterized with respect to their uniformity, size, structure and composition. Based on the work of Chan et al., parallely to the chemical part, an automated multiple reactor system was constructed and implemented in the working platform of a Chemspeed ASW2000 synthesis robot. [1] For this purpose, a 10-fold reactor setup was planned, designed and constructed according to the low thermal mass principle. All reactors can be individually heated up to 290 °C and the temperature can be lowered to room temperature by air cooling within a short time.