Article de méthode

La combinaison de semi-conducteurs et des techniques à base de Solution: Synthèse et réactivité de Chalcogenidoplumbates (II ou IV)

DOI :

10.3791/54789

⸱

29 décembre 2016

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1Department of Chemistry, University of California, Berkeley, 2Fachbereich Chemie, Philipps-Universität Marburg and Wissenschaftliches Zentrum für Materialwissenschaften

Dans cet article

Résumé

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La synthèse des chalcogénidoplumbates(II,IV) via la réduction in situ du nominal « PbCh2 » (Ch = Chalcogen) et via une réaction à l’état solide et les réactions solvothermiques ultérieures est présentée. De plus, les réactivités des solutions de plombure(II) sont représentées, ce qui donne l’homologue de CO connu le plus lourd connu à ce jour : le ligand μ-PbSe.

Résumé

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On obtient les phases de "PBCH 2" (Ch = Se, Te) à partir de la synthèse à l' état solide ( par exemple, par la fusion des éléments dans des conditions inertes dans des ampoules en verre de silice). Réduction de ces phases par les métaux alcalins élémentaires dans les amines donne chalcogenidoplumbate cristalline (II) , des sels constitués de [PbTe 3] 2 - ou [Pb 2 CH 3] 2 - anions, selon lequel l' agent séquestrant pour les cations est présent: les éthers couronnes, comme 18-couronne-6 ou cryptands, comme [2,2,2] crypt. Les réactions des solutions de ces anions avec des composés de métaux de transition rendement (poly-) anions chalcogénures ou grappes de chalcogénures de métaux de transition, dont une avec un ligand μ-PbSe (ie, l'homologue le plus lourd connu CO).

En revanche, la synthèse à l' état solide d'une phase de la composition nominale "K 2 PbSe 2" par des réactions successives de l'éléments et par le traitement ultérieur solvothermale dans les amines , on obtient les premier non-oxyde / plomb inorganique halogénure (IV): un sel de l'ortho -selenidoplumbate (IV) anionique [PbSe 4] 4 -. Ceci est inattendu en raison des potentiels d'oxydoréduction de Pb (IV) et Se (-II). De tels procédés peuvent en outre être appliqués à d' autres combinaisons élémentaires, ce qui conduit à la formation de solutions avec les binaires [HgTe 2] 2 - ou [bises 3] 3 - anions, ou à des synthèses à grande échelle de K 2 Hg 2 Se 3 ou K 3 Bise 3 via la route à l' état solide.

Tous les composés sont caractérisés par un monocristal de diffraction des rayons X et l'analyse élémentaire; des solutions de sels plumbate peuvent être étudiés par 205 Pb et 77 Se ou 127 techniques Te RMN. calculs de chimie quantique utilisant des méthodes de théorie de la fonctionnelle de densité permettent des comparaisons d'énergie. Ils permettent en outrepour un aperçu de la configuration électronique et, par conséquent, la situation de collage. Moléculaire Rh contenant des composés Chevrel type se sont révélés présenter délocalisée valence mixte, alors que les anions telluridopalladate similaires sont électrons précis; le cluster avec le ligand μ-PbSe est énergétiquement favorisée par rapport à un analogue de CO hypothétique, en ligne avec la tentative infructueuse de sa synthèse. La stabilité du formel de Pb (IV) dans le [4 PbSe] 4 - anion est principalement due à une stabilisation appropriée dans le réseau cristallin.

Introduction

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Chalcogénures métalliques tels que SnSe ou CuInSe, sont des matériaux souples avec un large éventail d'applications, par exemple, comme semi - conducteur thermo - électrique, ou des matériaux non linéaires optiques 1-6. compositions élémentaires similaires se trouvent dans chalcogenidometalates, où le métal est dans un état d'oxydation formellement positif et coordonné par négatifs ligands (poly-) chalcogénures pour donner une espèce anionique globale. Différent des matériaux mentionnés ci-dessus, de tels métallates sont en outre composés de contre-ions, qui sont bien séparées de la sous-structure anionique. les cations typiques sont des métaux (solvaté) alcalins ou alcalino-terreux, des ions ammonium ou phosphonium. Le plus souvent, de tels sels avec des anions chalcogenidometalate ont des propriétés physiques qui sont similaires à leurs composés binaires ou ternaires parental, tels que les largeurs de bande des propriétés similaires ou photo- et semiconductivité. Cependant, en raison de la large gamme de possibles architectures anioniques dans chaque c élémentaireombinaison, allant des espèces moléculaires isolées à travers les brins et les feuilles d'anions interconnectés aux cadres tridimensionnelles étendues, un réglage encore plus fin de différentes propriétés peut être obtenue, l'objectif final de synthèse conçu de composés ayant les propriétés souhaitées. Dans le concept de la réduction dimensionnelle, il a été montré qu'une augmentation relative des contre - ions par unité de formule, qui accompagne la réduction de 3D via 2D et 1D à 0D architectures anioniques (0D représentant des espèces moléculaires), diminue la largeur de bande observée 7. En outre, par l'utilisation de différents (ou des mélanges de) ligands de chalcogénure, il est même possible d'obtenir un ajustement ultra-fine de la largeur de bande 8,9.

En dehors de ces applications pratiques et pertinences visionnaires, chalcogenidometalates sont encore étudiés pour la compréhension fondamentale, comme pour la génération de types de structure anionique nouveaux ou la découverte et interpretation d'une liaison inhabituelle, ainsi que pour leurs propriétés sans précédent. Alors que les congénères plus légers (ie, oxidometalates, communément appelés oxométalates) ont été largement étudiés, en particulier pour les applications catalytiques potentielles, les chalcogenidometalates plus lourds sont beaucoup moins exploré.

Notre intérêt a été porté sur la synthèse, les propriétés, et en outre la réactivité de chalcogenidotetrelates (c. -à les homologues plus lourds de silicates) 10,11. Il existe une grande variété de tels composés, allant d'anions binaires eau stables et solubles, tels que le [4 SnTe] 4- anion 12; à des composés organiques du cluster, fonctionnalisés et multinaires, tels que {[Ir 3 (cod) 3 (μ 3 -S) 2] (μ 3 -S) SnCl} 2 (cod = cycloocta-1,5-diène) 13. Nos études les plus récentes portent sur chalcogenidoplumbates, avec le plomb comme métal central àom (s). En ligne avec le concept d'atomes lourds inerte paire, face à la stabilisation de l'orbitale 6s en raison des effets relativistes, le plomb est habituellement observé dans l'état formel d'oxydation + II. Des exceptions comme PbO 2 sont des agents oxydants puissants, et le plomb plus lourd (IV) chalcogénures, "PBCH 2," n'a pas été découvert à ce jour 14. Il en va de même pour le chalcogenidoplumbate (IV) anions, dont seulement [PbO 4] 4 - a été rapporté 15 jusqu'à récemment (voir ci - dessous).

Mis à part un groupe diversifié de oxidoplumbates structurellement étudiées (II, IV), il n'y a eu que peu d' exemples de chalcogenidoplumbates (II), à savoir [PbTe 3] 4 -, avec un anion de pyramide trigonale 16; et [Pb 2 CH 3] 2 -, dans lequel Ch = Se ou Te, avec un anion 17 pentagonale. Ceux-ci sont synthétisés par une voie qui a également été appliquéepour la génération d'ions Zintl 18. Lors de la préparation des phases intermétalliques multinaires par fusion des éléments à des températures élevées, l'extraction ultérieure par solvant en présence d'un agent séquestrant donne les produits désirés dans les (mono) sous forme cristalline. Dans le cas du [Pb 2 CH 3] 2 - anions, par exemple, une phase de composition nominale "KPbCh" a été extraite avec du 1,2-diaminoéthane (fr) en présence d'4,7,13,16 , 21,24-hexaoxa-1,10-diazabicyclo [8.8.8] hexacosane ([2,2,2] crypte). Le cryptant est nécessaire à la fois pour la cristallisation lors d'une augmentation du rayon de cation efficace dans la crypte {K [2.2.2]} + contre - ion complexe, afin de mieux correspondre à la taille anionique, et pour un blindage de la charge positive qui supprime un électron de retour -donation de l'anion en solution. De tels sels avec des cations encapsulés révèlent généralement élevés tendances pour la cristallisation et donc, assez bons rendements par rapport àles sels correspondants sans agents de séquestration. Cependant, une synthèse assez lourde ou les prix élevés des cryptands empêchent l'entartrage excessif de ces approches.

En revanche, K 4 [PbTe 3] · 2en est synthétisé par réduction in situ en solution dans, comme cela a déjà été utilisé dès 1891 pour la génération de la célèbre Pb 9 4 - anion 19,20. Pour ce dernier, des métaux alcalins élémentaires ont été ajoutés à la suspension de plomb dans l' ammoniac liquide à basse température, alors que pour le telluridoplumbate, un alliage de composition nominale "PbTe 2" a été réduite à la température ambiante, à nouveau par l'addition de potassium élémentaire.

Notre première approche vers ces espèces métallate à présenter ici est une combinaison des deux voies. Ici, la synthèse à l'état solide est suivie soit par réduction de la solution en présence de séquestrant peu coûteux agents, tel que le 1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadécane (18-couronne-6) ou par réduction avec des métaux alcalins qui sont chélatés par le solvant lui-même, sans la nécessité d'agents séquestrants additionnels, semblable à la synthèse de [Na 4 (fr) 7] [Sn 9] 21. Notre seconde approche commence aussi par la synthèse à haute température, mais elle est suivie par une extraction solvothermal des phases résultantes ( par exemple, l' extraction à des températures et des pressions élevées 22). Dans ce qui suit, nous allons présenter les deux approches synthétiques et certains de nos résultats récents sur l'application de ces voies de réaction.

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Protocole

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Attention: Toujours être prudent lorsque vous travaillez avec des produits chimiques. Appliquer les précautions de sécurité communes, y compris l'utilisation appropriée des gants, des lunettes et une blouse de laboratoire à tout moment. En particulier, il faut savoir que tous les composés examinés contenant des éléments lourds, ainsi que leurs sources élémentaires, sont d'une toxicité élevée. Le 1,2-diaminoéthane est un liquide corrosif. Les métaux alcalins et de produits semi-conducteurs ternaires peuvent réagir pyrophorically avec de l'air et de l'humidité.

Remarque: Toutes les manipulations sont réalisées dans une atmosphère d'argon en utilisant des techniques de Schlenk ou de la boîte à gants classiques à l'exclusion stricte de l'air et de l'humidité extérieure. Solides ou des solutions contenant des espèces métallate d'éléments lourds ou précurseurs sont stockés à l'abri de la lumière en enveloppant les récipients respectifs avec une feuille d'aluminium pour l'inhibition d'une décomposition induite par la lumière.

1. Préparation de Solvants et Solutions

  1. Ajouter 1 L fraîchement acheté 1,2-diaminoethane à 25 g de CaH 2 et agitation pendant une nuit. Reflux (T b = 116 ° C) jusqu'à ce qu'aucune H 2 est produit (environ 12 h).
    1. Éliminer par distillation à la pression ambiante.
  2. Ajouter 1 L d'oxolane (THF) à 10 g d'alliage NaK et agitation pendant une nuit. Reflux (T b = 66 ° C) pendant au moins 12 heures. Éliminer par distillation à la pression ambiante.
  3. Préparer une solution saturée de [Rh (PPh 3) 3 Cl] par addition de 150 mg de [Rh (PPh 3) 3 Cl] à 10 ml de THF. Agiter pendant une nuit à la température ambiante (RT) et le filtrat avec un gaz inerte fritte de filtre à gaz de faible porosité.

2. haute température Réactions à semi-conducteurs

  1. Synthèse du 2 PbSe
    1. Placez 3,81 g de Se élémentaire dans une ampoule de borosilicate et ajouter 5 g de Pb élémentaire sur le dessus. Chauffer avec un brûleur à oxygène / méthane jusqu'à ce que l'homogénéité optique de la masse fondue est obtenue (environ 10 minutes). Frappez l'ampoule doucement avec un anneau en liègetout au long de la synthèse de détacher sublimée Se de la paroi de l'ampoule, qui sera ensuite retomber dans le mélange réactionnel.
    2. Permettre à l'ampoule refroidir à la température ambiante. Briser l'ampoule avec un pilon dans un mortier et supprimer manuellement tous les éclats restants de l'ampoule. PESTLE le PbSe brut 2 à fond.
  2. Synthèse de K 2 2 PbSe
    1. Placer 0,95 g de K élémentaire et 5 g de plomb élémentaire dans une ampoule de borosilicate à paroi épaisse. Lentement augmenter la chaleur avec un brûleur à oxygène / méthane jusqu'à homogénéité optique de la masse fondue est obtenue (environ 20 min).
    2. Ajouter avec précaution 1,9 g de pastilles Se élémentaires à l'alliage fondu. Lors de l'addition complète, augmenter la température jusqu'à ce que le mélange réactionnel émet un rayonnement lumineux jaune / blanc (environ 10 min) et maintenir la température pendant 10 min. Diminuer la température de réaction légèrement si la couleur de rayonnement se tourne vers pur, blanc brillant (a température près du point de l'ampoule de fusion).
    3. On laisse le mélange réactionnel refroidir à température ambiante. Briser l'ampoule et supprimer manuellement tous les éclats restants de l'ampoule et un regulus de plomb élémentaire. PESTLE le brut K 2 PbSe 2 à fond.

3. Réduction Situ

  1. Synthèse d'une solution de [K (18-couronne-6)] 2 [Pb 2 Se 3]
    1. Placer 2 g de PbSe 2, 3,1 g de 18-couronne-6, 250 ml de 1,2-diaminoéthane, et une grande barre d'agitation dans un fond rond N 2 -flask sur une plaque d'agitation. Incorporer rigoureusement à la température ambiante et ajouter lentement 0,45 g d'élémentaire K.
    2. Agiter pendant une nuit à la température ambiante et filtrer la solution avec un gaz inerte fritte de filtre à gaz de faible porosité (diamètre des pores: D3 ou D4 16-40 um, 10 à 16 um).

4. Réactions solvothermales

  1. Synthèse de K 4 [4 PbSe] &# 183; en · NH 3
    1. Placer 0,5 g de K 2 PbSe 2 et 2 ml de 1,2-diaminoéthane dans un flacon en verre de 10 ml dans un flacon de polytétrafluoréthylène 15 ml dans un autoclave en acier inoxydable standard. Fermez l'autoclave hermétiquement et chauffer dans un four à 150 ° C pendant 5 jours.
    2. Éteindre le four et le laisser pendant 1 d refroidir lentement à température ambiante. Transférer le mélange de réaction dans l' huile de Paratone et sélectionner manuellement des cristaux de K 4 [PbSe 4] · en · NH 3 sous un microscope optique standard à 15-40X grossissement.

5. Superposition Reactive

  1. Synthèse de [(RhPPh 3) 6 (μ 3 -Se) 8] · 0.5en
    1. Placer 10 ml d'une solution de [K (18-couronne-6)] 2 [Pb 2 Se 3] dans un flacon de 50 ml, ajouter 10 ml d'une solution saturée de [Rh (PPh 3) 3 Cl] dans le THF et agiter durant la nuit.
    2. filter la solution de réaction avec un gaz inerte fritte de filtre à gaz de faible porosité et éliminer le solvant sous vide dynamique lentement pendant 24 h. Transférer le produit brut de réaction dans l' huile de Paratone et sélectionner manuellement des cristaux de [(RhPPh 3) 6 (μ 3 -Se) 8] · 0.5en sous un microscope optique standard à 15-40X grossissement.
  2. Synthèse de {[K (18-couronne-6)] - [K (en) 2] K [Rh 3 (CN) 2 (PPh 3) 4 (μ 3 -Se) 2 (μ-PbSe)]} 2 · 1.3en
    1. Placer 10 ml d'une solution de [K (18-couronne-6)] 2 [Pb 2 Se 3] dans un tube de Schlenk et la couche avec 10 ml d'une solution saturée de [Rh (PPh 3) 3 Cl] dans soigneusement THF. Couvrir le tube de Schlenk complètement dans une feuille d'aluminium et laisser reposer pendant 4 semaines.
    2. Transférer le solide résultant dans de l'huile de Paratone et sélectionnez monocristaux rapidement sous un limicroscope ght.

6. Analyse des solutions et composés

  1. Placer 50 mg de "K 2 PbSe 2" sur un porte-échantillon de verre acrylique (le composé réagit avec élémentaire Si) et le couvrir avec du ruban adhésif. Placer dans des conditions ambiantes dans un diffractomètre à rayons X sur poudre (PXRD) , et enregistrer les données de diffraction en 1 h 23.
  2. Placer 0,6 ml d'une solution de [K (18-couronne-6)] 2 [Pb 2 Se 3] dans un tube de résonance magnétique nucléaire (RMN) et sceller soigneusement ce dernier avec du ruban adhésif de protection. Transférez rapidement dans la sonde RMN et enregistrer 77 Se et 205 Pb RMN avec au moins 2.000 et 5.000 impulsions, respectivement 25.
  3. Sélectionnez un seul cristal sous un microscope optique et le monter sur la tête de goniomètre du diffractomètre. Mesurez avec une redondance élevée pour permettre aux corrections d'absorption adéquates 23-33.
  4. Effectuer une simultaneoNous optimisation de la structure électronique et géométrique [3 Rh (CN) 2 (PPh 3) 4 (μ 3 Se) 2 (μPbSe)] 3 -. Appliquer le modèle de sélection de conducteur comme (COSMO) avec une augmentation des rayons par défaut de 10% pour tenir compte de la compensation de charge 28.
    1. Calculer les fréquences vibratoires pour assurer l'énergique minimum 28.
    2. Effectuer Mulliken et / ou lien naturel orbital (NBO) analyse sur la base de la fonction d'onde théorie fonctionnelle de la densité (DFT) pour obtenir les charges atomiques 28.
    3. Calculer les contributions en orbite à la «détendue» et les structures originales de a) la grappe complète, b) le cluster de CO / gratuit PbSe, et c) le ligand / PbSe de CO, et de comparer les résultats 28.

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Résultats

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L'existence d'un anion -selenidoplumbate ortho [PbSe 4] 4-23 (voir la figure 1, en haut à droite) a été confirmée par des expériences simples de cristal de diffraction, analyse élémentaire, et les calculs de chimie quantique. La structure cristalline de raffinement confirme la géométrie de coordination tétraédrique presque parfait, comme on pouvait s'y attendre pour un plomb (IV) ion, alors que les calculs DFT rational...

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Discussion

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La combinaison de haute température classique, les réactions à l'état solide avec des méthodes à base de solution permet la production et l'isolement de nouveaux composés qui ne peuvent être synthétisés par une seule de ces voies. Même si, dans la plupart des cas, une identification claire et complète la caractérisation des espèces intermédiaires est difficile ou pratiquement impossible, l'idée générale est simple et peut être appliquée à une variété de combinaisons élémentaires. En outre, les conditions réelles de synt...

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Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ce travail a été soutenu par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) dans le cadre du PSP 1708. GT remercie la Leopoldina Nationale Akademie der Wissenschaften pour une bourse postdoctorale.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Ethan-1,2-diamineSigma-AldrichE26266-2.5L
Hydrure de calciumSigma-Aldrich213268-100G
TétrahydrofuraneSigma-Aldrich401757-1L
SodiumSigma-Aldrich71172-1KG
PotassiumSigma-Aldrich244864-50G
Tris-triphénylphosphine chlorure de rhodiumSigma-Aldrich199982-5G
PlombAcros222625000
SéléniumSigma-Aldrich209643-50G
18-crown-6Acros181561000

Références

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