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Synthese und Charakterisierung Tantaloxidnitrid-basierter Verbindungen für die photokatalytische Wasserspaltung
Cosgun, Sevilay
Auf der Suche nach effizienten Photokatalysatoren für die lichtinduzierte Wasserspaltung erweisen sich Halbleitermaterialien auf der Basis von Tantaloxidnitrid aufgrund ihrer optischen und elektronischen Eigenschaften als vielversprechende Kandidaten. Ein besonders entscheidendes Merkmal ist die optische Bandlücke der Materialien, die für die Wasserspaltung in einem Bereich zwischen 1,8 eV und 2,6 eV liegen sollte. Da die Bandlücke sowohl von der Kristallstruktur als auch von dem Sauerstoff-Stickstoff-Verhältnis der Verbindungen abhängt, wird in der vorliegenden Arbeit das Konzept zum sogenannten Bandlücken-Engineering für Tantaloxidnitrid-basierte Verbindungen angewandt. Anhand dieses Konzepts soll aufgeklärt werden, welche Effekte der Kristallstruktur, der Kationensubstitution, dem Sauerstoff-Stickstoff-Verhältnis und den strukturellen Defekten hinsichtlich der photokatalytischen Eigenschaften zugeschrieben werden können.
Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Synthese und der strukturellen Charakterisierung unterschiedlicher Verbindungen im System Ta-O-N mit Pulverfarben von gelb bis rot. Außerdem sollen die optischen Bandlücken und die photokatalytische Aktivität dieser Tantaloxidnitride untersucht werden.
Um aufzuklären, inwieweit der Kristallstrukturtyp die photokatalytische Aktivität beeinflusst, wurden die ternären Verbindungen β-TaON (Baddeleyit-Strukturtyp), γ-TaON (VO2(B)-Strukturtyp) und δ TaON (Anatas-Strukturtyp) synthetisiert und charakterisiert. Dabei ist es erstmals gelungen, eine defektreiche Variante der β-Modifikation von Tantaloxidnitrid darzustellen. Neben den ternären Verbindungen können durch die Substitution mit Kationen – wie Mg2+ und Sc3+ – quaternäre Verbindungen mit variierenden N/O-Verhältnissen und Strukturtypen erhalten werden. Auf dieser Grundlage wurden Tantaloxidnitrid-basierte Verbindungen dargestellt, die im Anatas- und Bixbyit-Strukturtyp kristallisieren. Darüber hinaus wurde erstmals eine neue im Rutil-Strukturtyp kristallisierende Verbindung im System Sc-Ta-O-N dargestellt.
Alle synthetisierten Verbindungen wurden mittels Röntgenbeugung und N/O-Analyse charakterisiert. Mithilfe der UV/Vis-Reflexionsspektroskopie wurden zudem die optischen Bandlücken der Materialien bestimmt. Schließlich wurde die photokatalytische Aktivität der Verbindungen anhand der Sauerstoffentwicklungsreaktion überprüft. Im Zuge dieser Messungen konnten in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Kationensubstitution unterschiedliche Aktivitäten für die verschiedenen TaON-Phasen festgestellt werden.
In search of efficient photocatalysts for the light-induced water splitting, semiconductor materials based on tantalum oxide nitride have proven to be promising candidates due to their optical and electronic properties. The optical bandgap of the materials are particularly crucial properties and should lie within a range between 1.8 eV and 2.6 eV for water splitting. Since the bandgap depends both on the crystal structure and the oxygen-nitrogen ratio of the compounds, the object of this work is the development of an approach to the so-called bandgap engineering for compounds based on tantalum oxide nitride. This concept will be elucidated the effects that crystal structure, oxygen-nitrogen ratio and substitution of cations have with respect to the photocatalytic properties.
The focus of this work is on the synthesis and structural characterization of different compounds with powder colors from yellow to red in the system Ta-O-N. Additionally, the optical bandgaps and the photocatalytic activities of these tantalum oxide nitrides are to be investigated.
In order to elucidate the effect of the crystal structure type on the photocatalytic activity, the ternary compounds β-TaON (baddeleyite structure type), γ-TaON (VO2(B) structure type) and δ-TaON (anatase structure type) were synthesized and characterized. For the first time a highly defective version of the β-modification of TaON could be synthesized. Beside ternary compounds, quaternary compounds with varying N/O ratios and structure types can be obtained through cation substitution such as magnesium and scandium. Thus, TaON based compounds were synthesized, which crystallize in the anatase and bixbyite structure type. Moreover, a new compound with rutile structure was synthesized for the first time in the system Sc-Ta-O-N.
All the synthesized compounds were characterized through XRD and N/O analysis. Using diffuse reflectance UV/Vis spectroscopy, the optical bandgaps of the materials were determined, as well. Finally, the photocatalytic activity of the compounds was tested by means of oxygen evolution reaction. In the course of these measurements, varying activities could be determined depending on the crystal structure and the cation substitution of the different TaON phases.
