Synthese, Charakterisierung und Eigenschaften von manganhaltigen Layered Double Hydroxides (LDHs)

Abstract

Layered Double Hydroxides (LDHs) sind natürlich vorkommende Minerale mit der allgemeinen Zusammensetzung [Me2+1-xMe3+x(OH)2]x+[Ar-x/r*nH2O]x-. Die Schichtstrukturen bestehen aus alternierenden positiv geladenen Hauptschichten und negativ geladenen Zwischenschichten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde Mangan auf der zweiwertigen Metallkationenposition und Aluminium, Eisen oder Chrom auf der dreiwertigen Metallkationenposition in die Struktur eingebaut. Organische Anionen wie Carboxylat, Dicarboxylat und Sulfonat sowie Chlorid, Nitrat, Sulfat und Selenat als anorganische Anionen konnten in der Zwischenschicht fixiert werden. Abhängig von der Bindungsenergie sind die Anionen in der Zwischenschicht austauschbar. Diese Eigenschaft ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten als Speichermineral für Schwermetallkationen, als Zusatzstoff in der Polymerindustrie, zur Produktion von flammhemmenden, säurepuffernden, hitzestabilen Materialien und zur Verwendung als Antacidum in der Medizin. Weiterhin hat diese Mineralgruppe große Bedeutung bei der Hydratation zementärer Produkte. Die synthetisierten manganhaltigen LDHs kristallisieren als wenige µm große hexagonale Plättchen. Sulfathaltige Verbindungen können außer Zwischenschichtwasser noch weitere einwertige Kationen einbauen. Der Schichtabstand sowohl nach Einbau von anorganischen als auch organischen Anionen in die Zwischenschicht ändert sich bei Temperaturerhöhung durch die Abgabe der nicht struktur-notwendigen Wassermoleküle. Insbesondere beim Einbau kurzkettiger organischer Moleküle erweisen sich die Verbindungen gegenüber Trocknung als instabil. Anhand der Zunahme der Schichtabstände bei steigenden Kettenlängen konnten die Inklinationswinkel der Alkylketten in den Zwischenschichten ermittelt werden. Hier existieren Unterschiede beim Einbau von aliphatischen Carboxylaten und Sulfonaten. Während bei den Sulfonaten der Schichtabstand linear mit der Kettenlänge zunimmt, ist bei den Carboxylaten ein sprunghafter Anstieg zu beobachten. Damit gelang der Nachweis einer bimolekularen Anordnung der Moleküle in der Zwischenschicht der Carboxylate und einer monomolekularen Anordnung bei den Sulfonaten. Alle Synthesen erfolgten unter Stickstoffatmosphäre um eine Oxidation des Mangans zu verhindern. Höhere Temperaturen und längere Reaktionszeiten führten zu besser kristallinen Reaktionsprodukten. Vor den Synthesen wurde der optimale pH-Wert für die Reaktion experimentell ermittelt.