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A neglected world: transition metal nitride and metal carbide based nanostructures

Eine vernachlässigte Welt: Übergangsmetallnitrid- und Metallcarbid-basierte Nanostrukturen

  • Potentiality of nanosized materials has been largely proved but a closer look shows that a significant percentage of this research is related to oxides and metals, while the number drastically drops for metallic ceramics, namely transition metal nitrides and metal carbides. The lack of related publications do not reflect their potential but rather the difficulties related to their synthesis as dense and defect-free structures, fundamental prerequisites for advanced mechanical applications. The present habilitation work aims to close the gap between preparation and processing, indicating novel synthetic pathways for a simpler and sustainable synthesis of transition metal nitride (MN) and carbide (MC) based nanostructures and easier processing thereafter. In spite of simplicity and reliability, the designed synthetic processes allow the production of functional materials, with the demanded size and morphology. The goal was achieved exploiting classical and less-classical precursors, ranging from common metal salts and moleculesPotentiality of nanosized materials has been largely proved but a closer look shows that a significant percentage of this research is related to oxides and metals, while the number drastically drops for metallic ceramics, namely transition metal nitrides and metal carbides. The lack of related publications do not reflect their potential but rather the difficulties related to their synthesis as dense and defect-free structures, fundamental prerequisites for advanced mechanical applications. The present habilitation work aims to close the gap between preparation and processing, indicating novel synthetic pathways for a simpler and sustainable synthesis of transition metal nitride (MN) and carbide (MC) based nanostructures and easier processing thereafter. In spite of simplicity and reliability, the designed synthetic processes allow the production of functional materials, with the demanded size and morphology. The goal was achieved exploiting classical and less-classical precursors, ranging from common metal salts and molecules (e.g. urea, gelatin, agar, etc), to more exotic materials, such as leafs, filter paper and even wood. It was found that the choice of precursors and reaction conditions makes it possible to control chemical composition (going for instance from metal oxides to metal oxy-nitrides to metal nitrides, or from metal nitrides to metal carbides, up to quaternary systems), size (from 5 to 50 nm) and morphology (going from mere spherical nanoparticles to rod-like shapes, fibers, layers, meso-porous and hierarchical structures, etc). The nature of the mixed precursors also allows the preparation of metal nitrides/carbides based nanocomposites, thus leading to multifunctional materials (e.g. MN/MC@C, MN/MC@PILs, etc) but also allowing dispersion in liquid media. Control over composition, size and morphology is obtained with simple adjustment of the main route, but also coupling it with processes such as electrospin, aerosol spray, bio-templating, etc. Last but not least, the nature of the precursor materials also allows easy processing, including printing, coating, casting, film and thin layers preparation, etc). The designed routes are, concept-wise, similar and they all start by building up a secondary metal ion-N/C precursor network, which converts, upon heat treatment, into an intermediate “glass”. This glass stabilizes the nascent nanoparticles during their nucleation and impairs their uncontrolled growth during the heat treatment (scheme 1). This way, one of the main problems related to the synthesis of MN/MC, i.e. the need of very high temperature, could also be overcome (from up to 2000°C, for classical synthesis, down to 700°C in the present cases). The designed synthetic pathways are also conceived to allow usage of non-toxic compounds and to minimize (or even avoid) post-synthesis purification, still bringing to phase pure and well-defined (crystalline) nanoparticles. This research aids to simplify the preparation of MN/MC, making these systems now readily available in suitable amounts both for fundamental and applied science. The prepared systems have been tested (in some cases for the first time) in many different fields, e.g. battery (MnN0.43@C shown a capacity stabilized at a value of 230 mAh/g, with coulombic efficiencies close to 100%), as alternative magnetic materials (Fe3C nanoparticles were prepared with different size and therefore different magnetic behavior, superparamagnetic or ferromagnetic, showing a saturation magnetization value up to 130 emu/g, i.e. similar to the value expected for the bulk material), as filters and for the degradation of organic dyes (outmatching the performance of carbon), as catalysts (both as active phase but also as active support, leading to high turnover rate and, more interesting, to tunable selectivity). Furthermore, with this route, it was possible to prepare for the first time, to the best of our knowledge, well-defined and crystalline MnN0.43, Fe3C and Zn1.7GeN1.8O nanoparticles via bottom-up approaches. Once the synthesis of these materials can be made straightforward, any further modification, combination, manipulation, is in principle possible and new systems can be purposely conceived (e.g. hybrids, nanocomposites, ferrofluids, etc).show moreshow less
  • Materialien sind wichtige Hilfsmittel, die wir täglich benutzen, um unser Leben einfacher zu machen. Materialien werden durch ihre Eigenschaften charakterisiert. Manche sind stark, manche sind elektrisch, manche magnetisch, usw. Wenn ein Stoff auf die Dimension eines Virus verkleinert wird, zeigen sich besondere Veränderungen. War das Material groß z.B. elektrisch, hat es klein diese Eigenschaft nicht mehr. Groß war es glanzlos, aber klein ist es transparent... Das heißt, dass jedes bekannte Material prinzipiell ein neues Material werden kann, nur durch die Veränderung seiner Größe. Wegen dieser besonderen Entdeckung, ist seit vielen Jahren ein Großteil der Forschung Nanopartikeln gewidmet. Dennoch werden in diesem Gebiet meistens besondere Materialien untersucht, weil ihre Anwendungsfelder weithin bekannt und wichtig sind. Meine Forschung basiert auf der Untersuchung neuer oder weniger bekannter Materialien, nämlich Übergangsmetallnitride und Übergangsmetallcarbide als Nanostrukturen. Sie sind nicht so bekannt, weil sie nicht soMaterialien sind wichtige Hilfsmittel, die wir täglich benutzen, um unser Leben einfacher zu machen. Materialien werden durch ihre Eigenschaften charakterisiert. Manche sind stark, manche sind elektrisch, manche magnetisch, usw. Wenn ein Stoff auf die Dimension eines Virus verkleinert wird, zeigen sich besondere Veränderungen. War das Material groß z.B. elektrisch, hat es klein diese Eigenschaft nicht mehr. Groß war es glanzlos, aber klein ist es transparent... Das heißt, dass jedes bekannte Material prinzipiell ein neues Material werden kann, nur durch die Veränderung seiner Größe. Wegen dieser besonderen Entdeckung, ist seit vielen Jahren ein Großteil der Forschung Nanopartikeln gewidmet. Dennoch werden in diesem Gebiet meistens besondere Materialien untersucht, weil ihre Anwendungsfelder weithin bekannt und wichtig sind. Meine Forschung basiert auf der Untersuchung neuer oder weniger bekannter Materialien, nämlich Übergangsmetallnitride und Übergangsmetallcarbide als Nanostrukturen. Sie sind nicht so bekannt, weil sie nicht so einfach herzustellen waren (die klassische Synthese braucht eine hohe Temperatur bis 2000°C, und oft toxische Reaktionsmittel). Trotzdem sind sie sehr interessante Materialien, weil sie auf der Grenze zwischen reinen Metallen und reinen keramischen Materialien hinsichtlich der Eigenschaften liegen. Das heißt, sie sind z.B. sehr fest, aber auch leitend, sie haben einen hohen Schmelzpunkt und sind magnetisch, etc. Durch die hier vorgestellte Forschung wird die Synthese dieser Materialien einfacher gemacht, bei niedrigen Temperaturen, mit natürlichen Produkten (z.B. Harnstoff, Gelatine, Agar, Zellulose, etc). Die Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten dieser Systeme wurden auch studiert, ebenso wie die Kontrolle der Größe und Form. So konnten wir sphärische, rohrförmige, und fiber-basierte Nanostrukturen synthetisieren, aber sogar Blätter und Holz konnten als Reaktionsmittel benutzt werden und in Nitrid und Carbid umgewandelt werden, ohne die Form zu ändern. Weil die Synthese dieser Materialien direkt gemacht werden konnte, ist prinzipiell jede weitere Modifikation, Kombination und Manipulation möglich. So können jetzt neue Systeme entworfen werden.show moreshow less

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Metadaten
Author:Cristina Giordano
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-75375
Subtitle (English):novel synthesis and future perspectives
Subtitle (German):neuartige Synthese und Zukunftsperspektiven
Advisor:Peter Strauch
Document Type:Habilitation
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2015/01/30
Release Date:2015/04/22
Tag:Metallcarbide; Metallnitride; Nanostrukturen; Sol-Gel
metal carbides; metal nitrides; nanostructures; sol-gel
Pagenumber:191
RVK - Regensburg Classification:WN 8120, WL 2110
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht