Praktikumsprotokoll Synthese und Charakterisierung von

Praktikumsprotokoll
Synthese und Charakterisierung von
Bariumtitanat
Betreuer:
Emanuel Ionescu, Benjamin Papendorf, Christoph Linck
Durchführungsdatum:
25.11
Gruppe 6
Christian Bausch
Silke Pufahl
Sandra Schäfer
Judith Simon
[email protected]
[email protected]
sandra [email protected]
[email protected]
1
Einleitung
Durch unterschiedliche Herstellungsprozesse ist es möglich, verschiedene Eigenschaften bei einem Material einzustellen. In den folgenden Versuchen wird dies am Beispiel Bariumtitanat gezeigt. Als Herstellungsprozesse werden die Sol-Gel-Synthese
und die Festkörpersynthese genutzt, daraus resultierende Unterschiede in der Struktur sollen mit Hilfe der IR-Spektroskopie und der XRD-Diffraktrometrie ermittelt
werden.
2
2.1
Grundlagen
Struktur des Bariumtitanats
Im Allgemeinen tritt BaTiO2 in zwei unterschiedlichen Strukturen auf, der hexagonalen und der Perowskit.
Der hexagonale Typ existiert nur bei sehr hohen Temperaturen. Dieser Strukturtyp
besteht aus flächenverknüpften TiO6 -Oktaedern und wird auch als Hochtemperaturmodifikation von Bariumtitanat bezeichnet.
Mehr Bedeutung kommt der Perowskit-Struktur zu, da in dieser Modifikation die
elektrophysikalischen Eigenschaften zur Geltung kommen, für die Bariumtitanat so
bekannt ist. Je nach Temperatur kommt es auch hier zu einer Umwandlung des Kristallgitters. In einem Temperaturbereich ab 120°C tritt Bariumtitanat in der perfekt
kubischen Perowskit-Struktur auf. (Vergl. Abbildung 1) Unterhalb dieser Temperatur ist das Kristallgitter tetragonal und die Titaniumionen sind geringfügig entlang
der z-Richtung verschoben. Weitere Polymorphe des Bariumtitanats sind der Perowskit mit orthorhombischen und rhomboedrischen Kristallgitter.
Abbildung 1: Ideal kubische Perowskit-Struktur des Bariumtitanats
1
2.2
2.2.1
Synthese
Festkörpersynthese
Die Festkörpersynthese von Keramiken läuft in mehreren Schritten ab. Im ersten
Schritt werden die Ausgangsstoffe möglichst fein vermahlen und gut gemischt. Anschließend wird das Gemenge calciniert, wobei es einen längeren Zeitraum hoch
erhitzt wird. Als Ergebnis erhält man die Keramik als Pulver und kann diese in
weiteren Schritten in die letztendliche Form bringen. Die chemische Reaktion findet während dem Calcinieren statt. Aus den vorliegenden Kristallen der Edukte
müssen sich die Atome zum Kristallgitter der Keramik anordnen. Die Platzwechselvorgänge werden thermisch aktiviert. Dadurch, dass die Ausgangsstoffe kristallin
vorliegen sind die Diffusionswege für die Atome sehr lang. Dementsprechend unterstützt ein gut durchgeführter Mahlvorgang den Calcinierungsschritt. Die Körner
werden kleiner und besser vermischt; die Diffusionswege also kürzer.
Im Falle der BaTiO3 -Festkörpersynthese sind die Ausgangsstoffe Bariumcarbonat
(BaCO3 ) und Titandioxid (TiO2 ). Diese werden für den Laborversuch im Mörser
vermengt. Um die Auswirkung der Temperatur beim Calcinieren untersuchen zu
können wird eine Probe bei 750°C und eine zweite bei 1200°C calciniert.
Core Shell Modell
Das Core Shell Modell beschreibt den Bariumtitanatbildungsmechanismus. Es geht
davon aus, dass ein Titandioxid-Kern von einer Bariumcarbonatschicht umhüllt ist.
Diese beiden Schichten reagieren an der Grenzfläche miteinander und somit entsteht
eine dünne Bariumtitanatschicht. Diese Reaktion findet auf Grund von Diffusion der
Bariumionen und der Sauerstoffionen in den Titandioxid Kern statt. Die Bariumionen werden hierbei interstitiell im Titandioxid gelöst und bewirken deshalb ab einer
gewissen Konzentration den Zusammenbruch der Titandioxidstruktur. Dies fördert
wiederum die BaTiO3 -Bildung. Somit entsteht zwischen dem Kern und der Hülle
eine Zwischensicht aus BaTiO3 , die den direkten Kontakt der beiden Substrate verhindert. Die Diffusion der Bariumionen muss deshalb auf anderen Wegen vonstatten
gehen. Aus diesem Grund entsteht vorerst aus dem unverbrauchten Bariumcarbonat und dem bereits entstanden Bariumtitanat eine neue Ba2 TiO4 -Schicht. Diese
Reaktion läuft solange ab, bis kein unverbrauchtes Bariumcarbonat mehr vorhanden ist. Diese neue Schicht reagiert in zwei Reaktionsschritten (siehe unten) mit
dem Kernmaterial TiO2 zu Bariumtitanat.
Ba2 T iO4 → BaT iO3 + Ba2+ + O2−
(1)
T iO2 + Ba2+ + O2− → BaT iO3
(2)
2
Somit entstehen Bariumtitantatspezies, die unterschiedliche Kristallorientierungen
haben je nachdem welches ihr Ausgangsmaterial ist. Das bedeutet, dass auch die
kristallinen und morphologischen Eigenschaften von innerem und äußerem BaTiO3
unterschiedlich sind.
2.2.2
Sol-Gel-Synethese
Das im Praktikum angewandte Nasschemische Verfahren ist der Sol-Gel-Prozess.
Hier wird ein Sol, eine kolloidale Lösung hergestellt. Durch den Vorgang der Gelierung wird aus dem Sol ein Gel. Sie bestehen aus einem festen, unregelmäßigen
dreidimensionalen Netzwerk und einer Flüssigkeit.
Entzieht man Gelen ihre Flüssigkeit schrumpfen die Abstände zwischen den Strukturelementen. Dabei wird die Netzwerkstruktur durch die Kapillarkräfte zerstört
und es entsteht ein Xerogele. Wird ein Flüssigkeitsentzug mit Hilfe überkritische
Trocknung durchgeführt, so entstehen Aerogele.
Durch den Sol-Gel-Prozess liegen die Atome in quasi-atomarer Verteilung vor mit
geringem Größenspektrum. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass die Mischverhältnisse nicht so beeinflusst werden können.
Die weiteren Nasschemischen Verfahren sind Fällungs-Techniken, Hydrothermale
Methoden und Komplexe Precursoren.
Im letztgenannten lässt sich die Mischungsstöchometrie gut einstellen, jedoch liegt
ein weit gefächertes Größenverhältnis der Teilchen vor. In dem Precursoren Verfahren wird von der Ausfällung komplexer, schwerlöslicher Feststoffe Gebrauch gemacht. Die anderen beiden Verfahren führen zum gleichen Ergebnis, wie die Sol-GelSynthese, kleine Teilchengröße, enges Größenspektrum und schwer beieinflussbare
Stöchometrie.
2.3
2.3.1
Charakterisierung
IR-Spektroskopie
Es gibt zwei Wege die IR-Analyse durchzuführen zum einen mit dem klassischen
(scanning) IR-Spektrometer oder zum anderen mit dem Fourier-Transformations-IR
Spektrometer. Ihnen gemeinsam ist das Prinzip, dass von einer Strahlungsquelle das
Licht durch die Probe auf einen Detektor trifft. Dieser registriert die Intensität der
eingehenden Strahlung. Der Unterschied liegt im optischen Umgang mit dem Lichtstrahl. Die Strahlung wird über das Prinzip des schwarzen Strahlers erzeugt. Häufig
werden Glühstifte aus Nernst (ZrO2 ) oder Globar (SiC) benutzt. Im Detektor muss
ein optisches Signal in ein elektrisches umgewandelt werden. Ein möglicher Weg
ist über einen Halbleiter mit geringer Bandlücke, in dem ein Elektronen-Loch-Paar
erzeugt wird. Ein weiterer sind pyroelektrische Detektoren, die bei Temperaturveränderung eine Spannung erzeugen. Hierfür wird häufig deuteriertes Triglycinsulfat (DTGS) verwendet, das bei -40°C betrieben wird.
3
Beim klassischen Spektrometer wird der Strahl nach Probendurchlauf über einen
Monochromator aufgespalten. Je nach Position des Detektors erreicht ihn die Intensität des Lichtes einer bestimmten Frequenz. Er muss die ganze Detektierstrecke
abfahren, um das Spektrum zu erstellen. Im Versuch wurde jedoch eine FTIRSpektrometer benutzt, dessen optischer Aufbau sowie die Auswertung des Signals jedoch anders verläuft. Im FTIR-Spektrometer gelangt das Licht der Quelle zunächst
zu einem Michelson-Interferometer. Der Lichtstrahl trifft auf einen halbdurchlässigen Spiegel; meist aus Germanium bedampftem Kaliumbromid. Von diesem wird
ein Teil auf einen fest angeordneten Spiegel gelenkt, der andere trifft auf einen beweglichen Spiegel. Die beiden Strahlen werden zurückgeworfen und gemeinsam zur
Probe gelenkt. Durch die optische Wegdifferenz kommt es bei der Überlagerung
beider Teilstrahlen zu konstruktiver, sowie destruktiver Interferenz. Das Licht der
Wellenlänge λ =
x
2
wird maximal konstruktiv überlagert. Die anderen Teile werden
abgeschwächt. Das Interferogramm beinhaltet die Summe dieser Interferenzen. In
der Probe wird dann noch ein weiterer Teil der Strahlung, der für die Probe charakteristisch ist, absorbiert. Über die Verscheibung des beweglichen Spiegels kann das
Maximum des Interferogramms verschoben werden. Die Verschiebung des Spiegels
liegt im Mikrometerbereich. Um die genaue Position des Spiegels zu ermitteln ist
auf dessen Rückseite ein zweites Michelson-Interferometer aufgebaut. Dadurch dass
dieses mit monochromatischem Licht betrieben wird, ist die Intensität am Detektor
proportional zu der Position des Spiegels. Auf der Grundlage der Intensitäten des
Probensignals und der Spiegelposition führt der benötigte Computer eine Fouriertransformation durch. Als Ergebnis liefert dieser ein Spektrum der gängigen Form,
bei dem die Transparenz der Probe über die Wellenzahl aufgetragen ist. Der Sinn
von diser Auftragung ist die Wellenzahl proportional zu Energie des Lichts zu sehen, aber im wesentlichen historisch bedingt. Der Bereich von 1400 cm−1 zu sinkenden Wellenzahl wird als fingerprint-Bereich bezeichnet und ist sehr charakteristisch
für Moleküle. Ansonsten lassen Absorptionen eher auf Bindungsgruppen schließen.
Grundsätzlich kommt es zu Absorption, wenn eine Schwingung oder Rotation in
der Bindung hervorgerufen werden kann. Die Energiezufuhr muss die beteiligten
Atome folglich auf ein anderes Energieniveau heben. Als Modellvorstellung benutzt
man den anharmonischen Oszillator mit diskreten Energieniveaus. Eine weitere Bedingung dafür dass die Engergie des Lichtes absorbiert werden kann ist, dass das
Dipolmoment in Wechselwirkung mit dem E-Feld-Vektor treten muss. Das kann
der Fall sein, wenn sich die Dipolmomente des Moleküls in den beiden Extrema
der Schwingung unterscheiden. Die Folge hieraus ist, dass die Schwingung asymmetrisch sein muss und dass symmetrische Schwingungen folglich IR-inaktiv sind. Die
meisten organischen Verbindungen besitzen kein Symmetriezentrum. Folglich sind
diese durch IR-Spektroskopie leichter nachzuweisen als anorganische Stoffe.
4
2.3.2
Pulverdiffraktometrie
Die Pulverdiffraktometrie ist eine Charakterisierungsmethode, die mit Hilfe von
Röntgenstrahlen Aufschluss über die Zusammensetzung der Probe gibt. Hierfür
wird die Probe mit Röntgenstrahlung bestrahlt, so dass diese an den Netzebenen
des Kristalls gebeugt wird. Durch diese gebeugten Strahlen werden für das Material
der Probe spezifische Reflexe ermittelt. Diese Reflexe werden durch einen Detektor
registriert. Alle spezifischen Reflexe einer Probe zusammen ergeben das Beugungsbild der Probe, das auch als Diffraktogramm bezeichnet wird. Die Beugung und
Reflexion der Strahlung kann mit Hilfe der Bragg-Beziehung verstanden werden
und somit über die Reflexe die Gitterkonstanten d bestimmt werden.
n · λ = n · d · sin(φ) ⇒ d =
nλ
2 sin φ
(3)
mit φ Einfallwinkel der Röntgenstrahlen
λ =der Wellenlänge der Röntgenstrahlung
n= ganze Zahl
Um festzustellen, welche Substanzen in der Probe vorliegen wird das Diffraktogramm mit Messdaten aus einer Datenbank verglichen. Stimmen die Reflexe überein, so wurde ein Bestandteil gefunden. Diese Prozedur wird solange wiederholt,
bis alle Reflexe zugeordnet sind.
Bestehen die Proben aus einkristallinem Material müssen sie gedreht werden, damit
eine bestimmte Gitterebene zu Reflexion kommt. Dies ist bei polykristallinen Materialien nicht der Fall. Selbst statisch liegen mehrere Kristallite für die möglichen
Reflexionsstellungen vor. Somit bilden alle Kristallite, die in Reflextionsstellung einer bestimmten Netzebene sind den gleichen Winkel zum Primärstrahl. Da dieser
Winkel frei um den Primärstrahl gedreht werden kann ergibt sich ein Kegel aus den
reflektierten Strahlen mit dem Öffnungswinkel 4 · θ um die Primärstrahlachse.
In dem Versuch wird ein Pulverdiffraktometer mit der sogenannten Bragg-Brentano
Geometrie benutzt. Dies zeichnet sich durch eine sehr einfache Bauweise, einer guten Intensitätsempfindlichkeit und einer guten Auflösung in allen Winkelbereichen
aus.
In Abbildung 2 ist der Aufbau schematisch dargestellt. Hierbei handelt es sich um
eine parafokussierende Anordnung bei der man zwischen Goniometerkreis und Fokussierkreis unterscheidet. Auf dem Fokussierkreis liegen Probe, Detektor und die
Röntgenquelle. Da der Detektor sich auf dem Goniometerkreis bewegt, muss der
Fokussierkreis einen variablen Radius haben. Der Mittelpunkt des Goniometerkreises ist die Probe und der Radius wird durch den Abstand der Röntgenquelle zur
Probe bestimmt.
5
Abbildung 2: Bragg-Brentano-Geometrie
3
3.0.3
Durchführung
Festkörpersynthese
Bei der Festkörpersynthese von Bariumtitant lässt sich die Stöchiometrie durch
genaues Einwiegen der Ausgangsstoffe Bariumcarbonat BaCO3 und Titant TiO2
einstellen. Um ein Gramm Bariumtitanat herzustellen wird zunächst die benötigte
Masse der Ausgangsstoffe berechnet
m(BaT iO3 )
=
1g
M (BaT iO3 )
=
233.2g/mol
n =
m/M = 4.29 · 10−3 mol
m
=
n·M
m(T iO2 )
=
0.342g
m(BaT iO3 )
=
0.846g
Die einzelnen Edukte werden abgewogen, gemörsert und dann miteinander vermengt. Das Pulvergemisch wird halbiert und in zwei Tigel abgefüllt. Eine Probe
wird bei 750°C calciniert, die andere bei 1200°C.
3.0.4
Sol-Gel-Synethese
Es wird eine Lösung aus 1,9728 g BaCO3 , 15 ml Essigsäure und etwas deionisiertem
Wasser hergestellt und mit Hilfe eines Rührfisches verrührt, bis sie klar ist. Diese
hergestellte Lösung wird unter Einsatz eines Tropftrichters in eine Lösung aus 3,4299
g Ti(OBu)4 , 70 ml Isopropanol und 1,5 ml Essigsäure getropft. Auch nach 30 Minuten tritt trotz ständigem Rühren die erwartete Gelbildung nicht ein. Anschließend
wir dem Gel das Lösungsmittel entzogen. Dies geschieht durch Erwärmung des Gels
6
in einem Wasserbad und gleichzeitigem Abzug des Lösungsmittels. So entsteht ein
Bariumtitanacetatpulver. Das anschließende sechsstündige Calcinieren findet bei
750°C statt. Das Endprodukt ist ein Bariumtitanat-Nanopulver.
3.1
3.1.1
Charakterisierung
IR-Spektroskopie
Begonnen wird mit der IR Spektroskopie. Hiefür wird als erstes eine KaliumbromidTablette gepresst und mit der IR-Spektroskopie das Spektrum des Hintergrunds erstellt. Es werden weitere Proben aus den hergestellten Pulvern erstellt. Der jeweilig
zu untersuchende Stoff wird mit einem Größenverhältnis von 1:300 mit Kaliumbromid vermengt und zu einer Tablette gepresst. Von den so präparierten Proben
wird dann ein IR-Spektrum aufegnommen, diese sind in Abbildung 3, 4, 5 und 6 zu
sehen.
Bariumtitanat - Referenzprobe
100
Transparenz / %
(normiert)
80
60
40
20
0
4000
3500
3000
2500
2000
Wellenzahl v / (1/cm)
1500
1000
500
Abbildung 3: IR-Spektrum der Refernezprobe
Bariumtitanat - Festkˆ¶rpersynthese 1200´C
100
Transparenz / %
(normiert)
80
60
40
20
0
4000
3500
3000
2500
2000
Wellenzahl v / (1/cm)
1500
1000
500
Abbildung 4: IR-Spektrum der Probe aus der Festkörpersynthese
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Barium-Titan-Acetat Gel (uncalciniert)
100
Transparenz / %
(normiert)
80
60
40
20
0
4000
3500
3000
2500
2000
Wellenzahl v / (1/cm)
1500
1000
500
Abbildung 5: IR-Spektrum des nicht calcinierten Gels
Bariumtitanat - Sol-Gel-Verfahren 750´C
100
Transparenz / %
(normiert)
80
60
40
20
0
4000
3500
3000
2500
2000
Wellenzahl v / (1/cm)
1500
1000
500
Abbildung 6: IR-Spektrum des bei 750°C calcinierten Gels
3.1.2
Pulverdiffraktometrie
Als zweite Charakteriesierungsart wird die Pulverdiffraktometrie verwendet. Die
Messdaten von der eigentlichen Diffraktometrie sind bereits als gespeicherte Daten
auf dem PC gespeichert. Es wird mit Hilfe eines Programms die jeweiligen Proben
auf ihre Inhaltsstoffe untersucht. Hierfür werden die Beugungsintensitäten der Probe mit bereits bekannten Beugungsbildern der Stoffe verglichen. Wenn die beiden
Intensitäten übereinstimmen, kann davon ausgegangen werden, dass Verbindung in
der speziellen Kristallstruktur in der Probe vorhanden ist. Es wird so lange nach
weiteren Inhaltsstoffen gesucht, bis für jeden Reflex der Probe ein Referenzstoff
gefunden ist.
4
4.1
Auswertung
IR-Spektrometrie
Die Spektren in Abbildung 3, 5 und 6 zeigen Bariumtitanat unterschiedlicher Herkunft. Sie weisen alle denselben Charakter auf. Das sind neben zwei benachbarten
8
starken Banden bei 400 cm−1 und zwischen 500 cm−1 und 600 cm−1 , eine gut abgegrenzte mittlere Bande bei 1400 cm−1 , sowie das ansteigende Absorptionsvermögen
hin zu höheren Wellenzahlen. Eine weitere gemeinsame Bande ist in etwa bei 860
cm−1 zu finden. Diese schwankt jedoch in ihrer Ausprägung. Während sie bei der
Referenz klar zu erkennen ist, fällt sie bei den anderen Proben wesentlich geringer
aus. Zwei weitere Charakteristika sind zum einen die Rottationsbanden zwischen
1500 cm−1 und 200 cm−1 , diese enstehen durch die Gasmoleküle des Hintergrunds.
Ursache hierfür könnte das absorbierte Wasser sein. Zum anderen ist bei allen Proben bei 2380 cm−1 ein weiterer Ausschlag zu erkennen. In der Luft befindliches CO2
könnte hierfür der Grund sein. Geht man von der Referenz aus, fehlen bei dem Spektrum der Probe aus der Festkörpersynthese die leichten Banden zwischen 1000 cm−1
und 1200 cm−1 . Jedoch sind bei 720 cm−1 und 780 cm−1 zwei kleinere Schultern zu
erkennen. Die Auflösung des Spektrums der Probe aus dem Sol-Gel-Verfahren ist
zu gering, um hierüber Aussagen zu machen. Ein Grund für die geringere Auflösung
könnte eine zu geringe Konzentration an Probenmaterial in der gepressten Probentablette sein.
Das Spektrum der Probe des uncalcinierten Gels aus Bariumtitanacetat hat einen
gänzlich anderen Charakter (Abb. 5). Die meisten Banden im fingerprint-Bereich
konnten keinen organischen Stoffen zugeordnet werden. Die jedoch schon durch ihre
starke Ausprägung hervortretenen Banden bei 1400 cm−1 und 1550 cm−1 passen zu
den Valenzschwingungen der Carboxylatgruppe. Desweiteren sind Hinweise auf eine
Methylgruppe (CH3 -) zu finden. Nämlich eine Schulter bei 1430 cm−1 und geringere
Banden zwischen 2850 cm−1 und 2960 cm−1 . Die Bande bei 1710 cm−1 passt exakt
zu gesättigen Carbonsäuren. Das breitgezogene Band bei 3450 cm−1 kann Wassereinlagerungen in KBr zugeordnet werden. Bedenkt man den hydrophilen Charakter von Acetat und die längere Lagerzeit der Probe, sind Wassereinlagerungen sehr
wahrscheinlich.
4.2
Pulverdiffraktometrie
Um herauszufinden welche Bestandteile in den Proben vorhanden sind werden die
Diffraktogramme mit den Messwerten aus der Datenbank verglichen. Hierbei ergeben sich für die untersuchten Proben folgende Übereinstimmungen:
Die Referenzprobe besteht ausschließlich aus Bariumtitanat welches eine tetragonale Anordnung aufweißt. (BaTiO3 [5-626], Vergl. Abbildung 7)
Die Festkörpersynteseprobe, die bei 750°C calciniert wurde weißt neben dem tetragonalen Bariumtitanat auch orthorombisches Bariumcarbonat und tetragonales
Titaniumoxid in der Anatas-Struktur auf.(Vergl. Abbildung??)
Die Festkörpersyntheseprobe, die bei 1200°C calciniert wurde besteht aus tetragonalem Bariumtitant(Vergl. Abbildung 9).
9
Die Probe aus der Sol-Gel-Synthese die nur getrocknet wurde, lasst sich eindeutig als
amorph bestimmen. Dies erkennt man an dem Verlauf der Kurve erkennen (Vergl.
Abbildung 10)
Die Probe aus der Sol-Gel-Synthese, die bei 750°C calciniert wurde besteht aus
kubischem Barumtitanat (Vergl. Abbildung 11)
Abbildung 7: XRD-Spektrum der Refernzprobe
10
Abbildung 8: XRD-Spektrum der bei 750°C calcinierten Festkörperprobe
11
Abbildung 9: XRD-Spektrum der bei 1200°C calcinierten Festkörperprobe
12
Abbildung 10: XRD-Spektrum des nicht calcinierten Gels
Abbildung 11: XRD-Spektrum des bei 750°C calcinierten Gels
13
4.3
Ausbeute
Um die Effizienz der Synthesemethoden gestimmen zu können werden die jeweiligen
Ausbeuten berechnet. Dazu werden aus den Gewichten vor und nach der Calcinierung die Stoffmengen ermittelt und ins Verhältnis gesetzt. Für die Festkörpersynthese mit anschließender Calcinierung bei 750°C gehen wir von einem Ausgangsgewicht
von 0,583 g aus. Nach der Calcinierung hat das Pulver eine Masse von 0,349 g. Somit
ergibt sich eine Ausbeute von 71,17%Ḃei der Festkörpersynthese mit anschließender
Calcinierung bei 1200°C ist die Ausbeute deutlich höher. Sie liegt bei 97,60%Ḋas
Ausgangsgewicht lag hier bei 0,581 g und das Gewicht nach der Calcinierung bei
0,477 g.
Das Gewicht des Pulvers aus dem Sol-Gel-Prozess vor der Calcinierung betrug 2,143
g und nach der Calcinierung beträgt es 1,160 g. Somit beträgt die Ausbeute des
Sol-Gel-Prozesses 97,34%Ḋaher ist Ausbeute des Sol-Gel-Prozesses nahezu genau
so groß wie bei der Festkörpersynthese mit Calcinierung bei 1200°C.
5
Diskussion
Mit Hilfe der Pulverdiffraktometrie sind die Zusammensetzungen der einzelnen Proben bestimmt worden. Auffällig ist allerdings, dass die Probe der Sol-Gel-Synthese,
die bei 750°C calciniert wurde aus kubischen Bariumtitanat bestehen soll. Normalerweise liegt Bariumtitanat nur bei Temperaturen oberhalb von 120°C in der
kubischen Struktur vor und unterhalb dieser wandelt es in die tetragonale Struktur
um. Der Grund hierfür liegt in der Korngröße. Da bei der Sol Gel Synthese extrem
kleine Körner hergestellt werden, ist die Oberfläche dementsprechend groß. Durch
die Umwandlung der Struktur ändert sich auch die Oberfläche und somit die Oberflächenenergie. Diese wäre nach der Umwandlung in die tetragonale Struktur größer
und deshalb wird die Umwandlung von der kubischen Struktur in die tetragonale
Struktur aus energetischen Gründen verhindert.
Außerdem lässt sich bei der Festkörpersyntheseprobe, die bei 750°C calciniert wurde feststellen, dass die Reaktion noch nicht vollständig abgeschlossen ist. Es befindet sich weiterhin Überreste der Ausgangsstoffe Bariumcarbonat und Titanoxid im
entstandenen Probenpulver. Dies liegt an der für diese Synthesemethode vergleichsweise geringen Temperatur. Bei 750°C ist die thermische Aktivierung noch nicht so
groß, dass die langen Diffusionsstrecken komplett überwunden werden können.
Die Ergebnisse aus der IR-Spektroskopie müssen für die Diskussion in zwei Teile
gliedern; das Ergebnis des Gels und das der Bariumtitanatproben unterschiedlicher Herkunft. Im Spektrum des Gels konnte eine Bande gesättigten Carbonsäuren
zugeordnet werden. Dem könnte durch eine längere Trockenzeit entgegengewirkt
werden. Jedoch ist der Nutzen hiervon zu überdenken, da organische Reste bei der
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Calcinierung ohnehin entweichen. Bestätigend hierfür ist das Spektrum des Bariumtitanats, das durch das Sol-Gel-Verfahren gewonnen wurde. Hier sind keinerlei
organische Überreste nachzuweisen. Das Problem, dass die Banden des fingerprintBereiches nicht zugeordnet werden konnten, könnte dadurch eine weitere Messung
gelöst werden. Sinnvoll wäre die Messung eines anderen BaTi-Salzes. Ähnliche Banden könnten so den anorganischen Stoffen zugeordnet werden.
Die Spektren der Bariumtitanatproben sind im Großen und Ganzen gleich. Die
geringen Abweichungen, die nachgewiesen werden konnten, können in Bezug zur
Herstellungsmethode setzen. Die genaue Kenntnis des Herstellungsverfahrens der
Referenzprobe wäre hierfür notwendig. Außerdem wäre eine zweite Messung der
Probe aus dem Sol-Gel-Verfahren sinnvoll. Die Auflösung des Spektrums ist sehr
gering. Aller Wahrscheinlichkeit nach liegt das an zu geringer Konzentration des
Probenmaterials in der Messtablette.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass hohe Temperaturen für die Festkörpersynthese unabdingbar sind. Über das Sol-Gel-Verfahren erhält man sehr kleine Teilchen,
deren Kristallstruktur zunächst noch kubisch ist. Dies würde sich aber im weiteren
Herstellungsweg zum Bauteil ändern, da die Teilchen durch das Sintern verbunden
werden und der Erhalt der Oberfläche energetisch ungünstiger wird, als die Phasenumwandlung.
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