Spectroscopic investigations of delaminated and intercalated phyllosilicates

170 Pages·2005·2.06 MB·English

by  Frank Friedrich

Karlsruher Mineralogische und Geochemische Hefte
Schriftenreihe des Instituts für Mineralogie und Geochemie
27
Frank Friedrich
Spectroscopic investigations of delami-
nated and intercalated phyllosilicates
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Frank Friedrich
Spectroscopic investigations of delaminated
and intercalated phyllosilicates
Karlsruher Mineralogische und Geochemische Hefte
Schriftenreihe des Instituts für Mineralogie und Geochemie,
Universität Karlsruhe (TH)
Band 27
Spectroscopic investigations of
delaminated and intercalated
phyllosilicates
von
Frank Friedrich
Dissertation, Universität Karlsruhe (TH),
Fakultät für Bauingenieur-, Geo- und Umweltwissenschaften, 2004

Anschrift des Autors:
Frank Friedrich
Institut für Technische Chemie
Bereich Wasser- und Geotechnologie
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
D – 76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Anschrift der Schriftleitung:
Karlsruher Mineralogische und Geochemische Hefte
Institut für Mineralogie und Geochemie
Universität Karlsruhe (TH)
D – 76128 Karlsruhe
Impressum
Universitätsverlag Karlsruhe
c/o Universitätsbibliothek
Straße am Forum 2
D-76131 Karlsruhe
www.uvka.de
Dieses Werk ist unter folgender Creative Commons-Lizenz
lizenziert: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/de/
Universitätsverlag Karlsruhe 2005
Print on Demand
ISSN 1618-2677
ISBN 3-937300-58-9
VORWORT

VORWORT
Die Herstellung von nanostrukturierten Materialien und die Untersuchung
ihrer physikalischen Eigenschaften ist eine der derzeit materialwissenschaftlich
interessantesten Fragestellungen. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei der
Modifizierung bereits großtechnisch eingesetzter schichtsilicatischer Rohstoffe.
Auf diesem Hintergrund entstand die vorliegende Arbeit unter der Betreuung
von Prof. Dr. Rolf Nüesch in der Arbeitsgruppe Nanomineralogie am Institut für
Technische Chemie im Forschungszentrum Karlsruhe (FZK). Ihm danke ich
sehr für die Vergabe der Arbeit und für den mir gewährten Freiraum in der
Umsetzung des Themas.
Bedanken möchte ich mich außerdem bei Herrn Prof. Dr. Werner Smykatz-
Kloss (Institut für Mineralogie und Geochemie – IMG, Universität Karlsruhe) für
die Übernahme des Korreferats und die freundschaftliche Unterstützung
während der letzten Jahre.
Den Mitarbeitern der Abteilung Forschung, Projekte und Labors in der Firma
Merck KgaA danke ich für die Bereitstellung des Probenmaterials.
Weiterhin gilt mein Dank den Freunden und Kollegen am Institut für
Technische Chemie, Frau Dr. Katja Emmerich, Doreen Rapp, Felicitas Wolters,
Kristina Kastner, Jens Glowacky, Matthias Schwotzer und meinem Zimmer-
kollegen Markus Hauser für das ausgezeichnete Arbeitsklima und die
zahlreichen Diskussionen und Anregungen. Den Herren Richard Seile und
Herbert Metzger in der Werkstatt des Instituts für Technische Chemie danke ich
für die Modifizierung der Autoklavenbehälter.
Zu ganz besonderem Dank bin ich aber Herrn Dr. Peter G. Weidler
verpflichtet, dessen großartige Unterstützung vieles erst ermöglicht hat.
VORWORT

Herr Dr. Andreas Gehring (Institut für Geophysik, ETH-Hönggerberg, Zürich,
Schweiz) war durch seine kritischen Anmerkungen und seine Diskussions-
bereitschaft eine große Hilfe in der Interpretation vieler Ergebnisse.
Viele Untersuchungen im Rahmen meiner Arbeit wurden erst möglich durch
die Kooperation und Unterstützung von Kollegen aus anderen Instituten:
Besonders danken möchte ich daher Herrn Stefan Heissler und Herrn Dr.
Werner Faubel (Institut für Instrumentelle Analytik, FZK) für ihre großzügige
Hilfe bei den spektroskopischen Messungen. Außerdem danke ich ihnen und
der Firma Bruker Optics GmbH für die Durchführung einiger Messungen an
dispersiven Raman Spektrometern. Frau Dr. Biliana Gasharova und Herrn Dr.
Yves-Laurent Mathis (Institut für Synchrotron Strahlung, FZK) danke ich für die
Unterweisung in die Fern-Infrarot-Messtechnik (FIR-Spektroskopie) an der
Infrarot-Beamline (ANKA, FZK). Frau Dr. Dorothee Szabo (Institut für
Materialforschung – IMF III, FZK) danke ich für die Einweisung in die
Ultramikrotomie und Herrn Dr. Peter Uhlik (Department of Geology and Mineral
Deposits, Comenius University Bratislava, Slovakia) danke ich herzlich für die
Einführung in die Herstellung orientierter Proben zur hochauflösenden
Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (HRTEM). Herrn Send (Laboratorium für
Elektronenmikroskopie, Universität Karlsruhe) danke ich für die HRTEM-
Aufnahmen. Den Herren Prof. Dr. Helge Stanjek und Dr. Sven Sindern (Institut
für Mineralogie und Lagerstättenlehre, RWTH Aachen) danke ich sehr für die
Einweisung in die Röntgen-Fluoreszenz-Analytik.
Prof. Dr. Erich Labouvie (Rutgers University, New Jersey, USA) danke ich
sehr für die kritische Durchsicht des Manuskript. Zudem möchte ich meinen
Eltern und meinem Bruder für die während meines Studiums und besonders in
den letzten Jahren gewährte großartige Unterstützung danken.
Mein ganz besonderer Dank gilt jedoch Annett Steudel. Alles wäre viel
schwieriger gewesen ohne ihre geduldige Unterstützung in den letzten
Monaten.
TABLE OF CONTENTS

TABLE OF CONTENTS
Summary i
Zusammenfassung v
1. Introduction 1
1.1 Intercalation and delamination of muscovite 1
1.2 Spectroscopy of dickite and its intercalates 4

2. Material preparation 7
2.1 Chemical delamination of muscovite by nitrates of bi- and
trivalent cations in autoclaves 7
2.1.1 Introduction 7
2.1.2 Intercalation/Delamination procedure in autoclaves 8
2.1.3 Intercalation/Delamination procedure in round bottom
flasks 10
2.2 Preparation of dickite intercalation compounds 11
References 12

3. Vibrational spectroscopy 15
3.1 General remarks 15
3.2 Vibrational spectroscopy of layered silicates 18
3.3 Techniques 19
3.3.1 Mid infrared FTIR spectroscopy (MIR: 4000 – 400 cm-1) 19
3.3.2 Far infrared FTIR spectroscopy (FIR: 400 – 50 cm-1) 21
3.3.3 Near infrared FTIR spectroscopy (NIR: 8000 – 4000 cm-1) 23
3.3.4 FT-Raman spectroscopy 23
References 24
TABLE OF CONTENTS

4. Analytical methods 25
4.1 X-ray diffractometry 25
4.2 Analytical chemistry 25
4.3 Microscopic techniques 26
4.3.1 Electron microscopy 26
4.3.2 Atomic force microscopy (AFM) 28
4.4 Specific surface area (BET-method) 29
References 29

5. Mineralogical characterization of the nitrate treated muscovites 31
5.1 Introduction 31
5.2 Materials and methods 31
5.3 Results and discussion 32
5.3.1 Grain size distribution and stack thickness 32
5.3.2 X-ray diffraction and HRTEM 37
5.4 Conclusions 46
References 47

6. Intercalation of Cu(II) and Zn(II) in muscovite observed by FTIR
spectroscopic methods 49
6.1 Introduction 49
6.2 Materials and methods 49
6.3 Results 50
6.4 Discussion 58
6.5 Conclusions 62
References 63