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Increasing content and purity of alkali intercalated phases of 2D materials
via graphene to black phosphorus
Katharina Werbach
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Herwig Peterlik
DOI
10.25365/thesis.71922
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13255.95132.366241-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Graphit-Interkalationsverbindungen (GICs) sind aus unserer modernen Welt nicht mehr wegzudenken. Sie sind als Batteriematerial unverzichtbar und dienen als Ausgangsmaterial für die Exfoliation von Graphit zu Graphen und zur Aufbereitung für dessen Funktionalisierung. Aufgrund der ständig steigenden Nachfrage nach Stromspeichern wird jedoch nach Alternativen zu GICs in Batterien gesucht. Insbesondere schwarzer Phosphor (BP) gilt hierbei als vielversprechendes Material für NatriumIonen-Batterien. Mit dieser Arbeit soll ein zweifacher Beitrag zum Gebiet der Interkalationsverbindungen geleistet werden. Zum einen wird die effiziente und zuverlässige Synthese von Interkalationsverbindungen des schwarzen Phosphor mit Natrium (Na-BPICs) erforscht. Zum anderen soll die Auswirkungen der Verwendung von Interkalationsverbindungen zur Aufbereitung von Graphit und schwarzem Phosphor auf die Struktur von funktionalisiertem Graphen und Phosphoren untersucht werden. Die Synthesebedingungen von Na/K-BPICs werden mittels Röntgenbeugung, Raman-Spektroskopie und Kalorimetrie untersucht. Die Strukturen der resultierenden BPICs, des funktionalisierten Graphens und des funktionalisierten Phosphorens werden durch einen Vergleich der gemessenen mit berechneten Röntgenspektren von vorgeschlagenen Strukturen evaluiert. Es zeigt sich, dass funktionalisiertes Graphen und Phosphoren dazu neigen, sich zu locker geordneten Strukturen zu aggregieren. Im Falle von Graphen hängt dies auch stark vom Ausgangsmaterial ab. Obwohl erfolgreich, wird festgestellt, dass die Festkörpersynthese von Na/KBPICs intermetallische Phasen als Nebenprodukte liefert. Das Verfahren wird für Na-BPICs durch Kugelmahlen der Ausgangsmaterialien verbessert, so dass die Bildung solcher unerwünschten Phasen verhindert wurde. Schlussendlich wird ein Strukturmodell entwickelt, das einer Interkalationsverbindung der Stufe 2 für die auf diese Weise synthetisierte Na-BPIC entspricht
Abstract
(Englisch)
It is impossible to imagine our modern world without graphite intercalation compounds (GICs). They are indispensable as battery materials and are a starting material for the exfoliation of graphite to graphene and a precursor for its functionalization. However, due to the ever-increasing demand for electricity storage, alternatives to GICs in batteries are highly sought-after. In particular, black phosphorus (BP) is considered a promising material for sodium-ion batteries. This work aims at making a twofold contribution to the field of intercalation compounds: demonstrating an efficient and reliable synthesis of sodium-black phosphorus intercalation compounds (Na-BPICs) and investigating the use of intercalation compounds as precursors for the structure of functionalized graphene and phosphors. The synthesis conditions of Na/K-BPICs are explored using X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and calorimetry. The structures of the resulting BPICs, functionalized graphene, and functionalized phosphorene are evaluated by comparing measured with calculated XRD patterns of proposed structures. It is revealed that functionalized graphene and phosphorene tend to aggregate to form loosely ordered structures. In the case of graphene, this also heavily depends on the starting material. Although successful, solid-state synthesis of Na/K-BPICs is found to yield intermetallic phases as by-products. The synthesis procedure is improved for Na-BPICs by introducing ball-milling to suppress the formation of such undesired phases. Finally, a structural model matching a stage 2 intercalation compound for Na-BPICs synthesized in this way is developed.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Interkalation schwarzer Phosphor Natrium Graphen Funktionalisierung
Schlagwörter
(Englisch)
intercalation black phosphorus sodium graphene functionalization
Autor*innen
Katharina Werbach
Haupttitel (Englisch)
Increasing content and purity of alkali intercalated phases of 2D materials
Hauptuntertitel (Englisch)
via graphene to black phosphorus
Paralleltitel (Deutsch)
Erhöhung des Gehalts und der Reinheit von Alkali interkalierten Phasen von 2D-Materialien
Paralleluntertitel (Deutsch)
über Graphen zu schwarzem Phosphor
Publikationsjahr
2021
Umfangsangabe
x, 142 : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Peterlik Peterlik
AC Nummer
AC16595016
Utheses ID
61761
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |