Synthesis, spectroscopic characterization and investigation of the oxidation behavior of intermetallic aluminum compounds

Abstract

Intermetallic compounds not only play a crucial role in everyday life, since they appear in various applications ranging from communication devices, superconducting materials as well as high corrosion resistant materials. They are also of high interest with respect to fundamental research regarding their huge variety of structural chemistry just to name one example. Within this thesis, studies about intermetallic compounds combining aluminum with alkaline earth, rare earth and early transition metals were conducted. The focus was set on their synthesis, structure determination or validation using X-ray diffraction methods. Different aspects of the compounds were elucidated using spectroscopic methods such as solid state NMR, physical property measurements and DFT calculations. From a structural point of view a focus was applied on Laves phases, solid solutions within these structure types and finally the Frank-Kasper phases. In the second part the question whether it is possible to use intermetallic aluminum compounds as precursors for oxidation reactions (limited to the chalcogenides) was investigated. The oxidation behavior of many compounds of the general formula AEAlx (AE = Ca, Sr, Ba) and REAl2 (RE = Sc, Y, La, Eu, Yb,) was investigated using various synthetic methods. Reactions using selenium and sulfur gave phase pure compounds that could be analyzed using the methods stated above.

Intermetallische Verbindungen spielen nicht nur im täglichen Leben eine wichtige Rolle. Sie kommen in verschiedenen Anwendungen von Kommunikation über supraleitende Materialien bis hin zu korrosionsresistenten Werkstoffen vor. Für die Grundlagenforschung sind sie von großem Interesse, da sie, nur um ein Beispiel zu nennen, eine immens vielfältige Strukturchemie aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Studien über intermetallische Verbindungen von Aluminium mit Erdalkali-, Seltenerd- und frühen Übergangsmetallen durchgeführt. Der Schwerpunkt lag dabei auf ihrer Synthese, Strukturbestimmung oder Validierung mittels Röntgenbeugungsmethoden. Die Verbindungen wurden, falls möglich, mit spektroskopischen Methoden wie Festkörper-NMR, physikalischen Eigenschaftsmessungen und DFT-Rechnungen untersucht. Aus struktureller Sicht lag der Schwerpunkt auf Laves Phasen, festen Lösungen innerhalb dieser Strukturtypen und den Frank-Kasper Phasen. Im zweiten Teil wurde der in der Literatur nur wenig untersuchten Frage nachgegangen, ob es möglich ist, intermetallische Aluminiumverbindungen als Vorstufe für Oxidationsreaktionen zu verwenden (beschränkt auf die Chalkogenide). Das Oxidationsverhalten vieler Verbindungen der allgemeinen Formel AEAlx (AE = Ca, Sr, Ba) und REAl2 (RE = Sc, Y, La, Eu, Yb,) wurde untersucht. Die Reaktionen mit Selen und Schwefel ergaben phasenreine Verbindungen, die mit den oben genannten Methoden analysiert werden konnten.