Elektrochemische Synthese von nanostrukturiertem Antimon und nanostrukturierten Antimonverbindungen in ionischen Flüssigkeiten

m Rahmen dieser Arbeit wurden die elektrochemischen Abscheidungen von 3DOM-Sb, Sb-Nanodrähte, halbleitende Nanopartikel von AlxSb1-x-Verbindung (0<x<1), InSb-Nanopartikel, und Cu2Sb in Nanopartikeln und mit 3DOM-Struktur in ionischen Flüssigkeiten durchgeführt. Für elektrochemische Synthese der Materialien wurden Zyklovoltammetrie, Chronoamperometrie, Chronopotentiometrie bzw. stromlose Abscheidung eingesetzt. Für Strukturcharakterisierung wird Rasterelektronenmikroskopie (REM) verwendet, für chemischer Zustand Energiedispersive Röntgenspektroskopie, Raman-Spektroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie, für Kristallstruktur Röntgendiffraktometrie und für Bandlücke UV/Vis-Spektrometrie. Die Synthese von 3DOM-Sb wurde in 1-Etyhl-3-methylimidazolium bis(trifluormethylsulfonyl)amid ([EMIm]TFSA) mit SbCl3 durchgeführt. In 0,1 M SbCl3/[EMIm]TFSA und 0,3 M SbCl3/[EMIm]TFSA wurde 3DOM-Sb auf PS-Templat (Au mit PS-Kügelchen bzw. Fe mit PS-Kügelchen) elektrochemisch erhalten. Die Erzeugung von Sb mit 3DOM-Struktur hängig von den Abscheidungsparametern, wie Konzentration von SbCl3, Abscheidungspotenzial, Abscheidungszeit und Substrat. Zum ersten Mal ist die elektrochemische Abscheidung von Sb-Nanodrähten in 1-Butyl-1- methylpyrrolidinium bis(trifluormethylsulfonyl)amid ([BMP]TFSA) mit SbCl3 templat- und additivfrei erfolgreich. Die Stromdichte während der Abscheidung ist das Kriterium für die templat- und additivfreien Bildung der Sb-Nanodrähten. Die Synthese von Sb-Nanodrähte war mit verschiedenen Parametern erfolgreich, wie z.B. unterschiedlichen Konzentrationen (von 0,3 M bis 0,6 M), Temperaturen (von Raumtemperatur bis zu 80 °C) und auf unterschiedlichen Substraten (Fe, Au und ITO). Der Erfolg der Synthese von Sb-Nanodrähten in [BMP]TFSA und 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium triflat ([BMP]TFO) und der Misserfolg in [EMIm]TFSA zeigt, dass die Zusammensetzung der ionischen Flüssigkeiten die Struktur der Abscheidungsprodukte beeinflusst und der Einfluss des Kations in der Bildung der Sb-Nanodrähten wichtiger ist als der des Anions. InSb-Nanopartikel wurden durch Co-Abscheidung in 0,05 M InCl3 und 0,03 M SbCl3 in [BMP]TFSA bei Raumtemperatur auf Au bei -2,2 V für 12 h erhalten. Die Co-Abscheidung von AlSb wurde in AlCl3/[EMIm]Cl (60/40 mol%) mit SbCl3 von verschiedenen Konzentrationen und Abscheidungspotenzialen bei 70 °C durchgeführt. Mittels UV/Vis-Spektrometrie und Tauc-Plot-Methode wurden die halbleitende AlxSb1-x-Verbindung (0<x<1) in den Produkten nachgewiesen. Der Wert der Bandlücke des Abscheidungsproduktes aus 0,02 M SbCl3 in AlCl3/[EMIm]Cl (60/40 mol%) bei -1,0 V für 15 min ist am nächsten zu dem theoretischen Wert, der 1,3±0,1 eV beträgt. In [EMIm]TFSA wurden keine halbleitenden Produkte in der Co-Abscheidung erhalten. Die Reaktionen zwischen Cu und SbCl3 in einigen ILs (1-Butyl-1-methylpyrrolidinium dicyanamid ([BMP]DCA), [BMP]TFSA, [BMP]TFO, [EMIm]TFSA und 1-Ethyl-3-methylimidazolium triflat ([EMIm]TFO)) weisen unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeiten und Produkte auf. Dies ist auf die unterschiedliche Zusammensetzung der ionischen Flüssigkeiten zurückzuführen. Die stromlose Abscheidung von 3DOM-Cu2Sb in [EMIm]TFSA ist in zwei Schritten erfolgreich: Cu-Abscheidung aus CuCl2/[BMP]DCA auf Fe mit PS-Kügelchen und stromlose Abscheidung von Cu2Sb aus dem abgeschiedenen Cu in SbCl3/[EMIm]TFSA. Wegen der guten Löslichkeit von CuCl2 in [BMP]DCA wurde die Co-Abscheidung von Cu2Sb in [BMP]DCA durchgeführt. 0,3 M CuCl2 und 0,2 M SbCl3 in [BMP]DCA verbessern die Cu2Sb-Abscheidung.

In this work, the electrochemical deposition of 3DOM Sb, Sb nanowires, semiconducting nanoparticles of AlxSb1-x compound (0<x<1), InSb nanoparticles, 3DOM Cu2Sb and Cu2Sb nanoparticles in ionic liquids were investigated. Cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry, chronopotentiometry, and electroless deposition were employed for the electrochemical synthesis of the materials. Scanning electron microscopy (SEM) was used for structural characterization, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for chemical composition, X-ray diffraction (XRD) for crystal structure and UV/Vis spectrometry for band gap. In 0.1 M SbCl3/[EMIm]TFSA and 0.3 M SbCl3/[EMIm]TFSA, 3DOM Sb was electrochemical obtained on the polystyrene (PS) sphere templates (PS spheres covered Au and PS spheres covered Fe, respectively). During deposition, the high negative current damages the 3DOM structure of the template. The generation of Sb with 3DOM structure depends on the deposition parameters, such as concentration of SbCl3, deposition potential, deposition time, and substrate. For the first time, the electrochemical deposition of Sb nanowires in 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide ([BMP]TFSA) with SbCl3 is successful without template and additives. The results show that the current density during deposition is the criterion for the template- and additive-free formation of Sb nanowires. From SEM images, the growth model of the Sb nanowires can be inferred as follows: The deposited particles in the first layer on the working electrode serve as nanocores, from which nanowires can grow. During the growth process, sometimes some nanowires approach each other and continue to grow in a plane. Under different concentrations (from 0.3 M to 0.6 M), temperatures (from room temperature to 80 °C) and on different substrates (Fe, Au, and ITO) in [BMP]TFSA, Sb nanowires could be successfully obtained without template and additive. High temperature promotes the quality of nanowires. The success of the synthesis of Sb nanowires in [BMP]TFSA and 1-butyl-1-methylpyrrolidinium triflate ([BMP]TFO) and the failure in [EMIm]TFSA show that the composition of ionic liquids affects the structure of the deposition products and the influence of the cation is more important than that of the anion. InSb nanoparticles were obtained by co-deposition in 0.05 M InCl3 and 0.03 M SbCl3 in [BMP]TFSA at room temperature on Au at -2.2 V for 12 h. In 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride ([EMIm]Cl) and [EMIm]TFSA, Sb was synthesized by the electroless deposition. Co-deposition of AlSb was carried out in AlCl3/[EMIm]Cl (60/40 mol%) with SbCl3 of different concentrations and deposition potentials at 70 °C. Using UV/Vis spectrometry and Tauc-plot method, the semiconducting AlxSb1-x compound (0<x<1) was detected in the products obtained by co-deposition in AlCl3/[EMIm]Cl (60/40 mol%) with 0.15 M SbCl3 or 0.02 M SbCl3. The band gap of the deposit in AlCl3/[EMIm]Cl (60/40 mol%) with 0.02 M SbCl3 at -1.0 V for 15 min is closest to the theoretical value (1,6 eV), which is 1.3±0.1 eV. No semiconducting products were obtained in [EMIm]TFSA in the co-deposition. The reaction between Cu and SbCl3 in some ionic liquids (1-butyl-1-methylpyrrolidinium dicyanamide ([BMP]DCA), [BMP]TFSA, [BMP]TFO, [EMIm]TFSA, and 1-Ethyl-3-methylimidazolium triflate ([EMIm]TFO)) shows different reaction rates and products, which is a response to the different compositions of the ionic liquids. The electroless deposition of 3DOM-Cu2Sb in [EMIm]TFSA is successful through two steps: Cu deposition from CuCl2/[BMP]DCA on Fe covered with PS spheres and electroless deposition of Cu2Sb from deposited Cu in SbCl3/[EMIm]TFSA. Co-deposition of Cu2Sb was in [BMP]DCA carried out. 0.3 M CuCl2 and 0.2 M SbCl3 in [BMP]DCA promote the Cu2Sb synthesis.

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