DE4136016C2 - Graphit-Einlagerungsverbindung - Google Patents

Graphit-Einlagerungsverbindung

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Description

Die Erfindung betrifft interlaminare Graphitverbin­ dungen, die einen geringeren Widerstand besitzen und als leitendes Material Aufmerksamkeit erregen, insbesondere interlaminare Graphitverbindungen, die PbCl₂ und ein Halogenid, das für sich fähig ist, mit Graphit eine Einlagerungsverbindung zu bilden, als Gastsubstanz enthalten.
Interlaminare Graphitverbindungen oder Graphit-Ein­ lagerungsverbindungen sind interlaminare Verbin­ dungen, bei denen Atome, Moleküle und Ionen als Gastsubstanzen zwischen Schichten von Graphit als Wirtssubstanz eingefügt sind. Ihr praktischer Wert erregte in letzter Zeit Aufmerksamkeit wegen der besseren funktionellen Eigenschaften wie dem niedrigen, Metallen vergleichbaren Widerstand und den hervorragenden Entladungs- und Reibungseigen­ schaften und wegen der relativ leichten Synthese.
Da die Graphit-Einlagerungsverbindungen mit Metallhalogen-Verbindungen wie FeCl3, CuCl2 und dergleichen als Gastsubstanzen eine höhere Leit­ fähigkeit zeigen und unter atmosphärischen Bedingungen im wesentlichen stabil sind, wird ihre Anwendung als leitendes Material nun erwartet.
Es ist bekannt, daß die Graphit-Einlagerungs­ verbindungen, die ein Metallhalogenid als Gastsubstanz enthalten, durch Reaktion von Graphit mit einem Metallhalogenid nach einem Mischverfahren bei einer vorbestimmten Temperatur synthetisiert und hergestellt werden können.
Aus der DE-OS 20 41 167 ist ein Verfahren zur Herstellung von Graphit-Metallchlorid-Einlagerungsverbindungen bekannt, bei dem Gemische aus Graphitpulver und hydratwasserhaltigen Metallchloriden bei einer Temperatur zwischen etwa 200°C und der Zersetzungstemperatur der zu bildenden Einlagerungsverbindung im Chlorstrom bei Drücken bis 5 atm behandelt werden.
Aus EP-A-0 217 138 ist ein Trageglied aus interkaliertem Graphit bekannt, wobei zur Einlagerung Metalle und Metallhalogenide von Übergangselementen bzw. von Elementen der Gruppen IIIA, IVA, VA und VIA verwendet werden.
In Angew. Chemie/75. Jahrg. 1963/Nr. 2, S. 130-136 werden Ergebnisse über Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften von Graphit-Einlagerungsverbindungen mitgeteilt. Es werden diejenigen wasserfreien Chloride aufgeführt, welche mit Graphit reagieren, und diejenigen, welche nicht reagieren.
Die Erfinder haben Umgebungsversuche mit bekannten interlaminaren Graphitverbindungen mit metallischen Halogeniden als Gastsubstanzen (im folgenden häufig als "GIC" abgekürzt) in einer Atmosphäre mit hohem Feuchtigkeitsgehalt durchgeführt. Sie fanden, daß die zeitliche Änderung des als stabil betrachteten Widerstandswerts von NiCl2-CuCl2-GIC an der Atmos­ phäre groß ist.
Um eine leitfähige Paste mit einer in einem organi­ schen Bindemittel dispergierten Metallhalogenid-GIC in einer elektronischen Vorrichtung anwenden zu können, muß garantiert sein, daß sich ihre Eigen­ schaften in der tatsächlichen Umgebung über eine lange Zeitspanne nicht ändern werden; es ist sicher bekannt, daß die GICs bei Erhitzung auf etwa 200°C stabil sind. Wenn ein Umgebungsversuch jedoch derge­ stalt durchgeführt wurde, daß die Paste druckbehandelt und thermisch gehärtet wurde zur experimentellen Herstellung eines elektrischen Leiters, der dann in einer Atmosphäre mit höherem Feuchtigkeitsgehalt von 90% relativer Feuchtigkeit und bei 40°C ste­ hengelassen wurde, wurde gefunden, daß die als an der Atmosphäre stabile Verbindungen betrachteten bekannten Metallhalogenid-GICs eine nicht vernach­ lässigbar große zeitliche Änderung des Widerstands­ werts besitzen. Im Falle eines aus FeCl3-GIC expe­ rimentell hergestellten elektrischen Leiters war der Widerstandswert nach Ablauf von 100 Stunden um 30% gestiegen.
Übliche, bekannte Metalle enthaltende Metallhaloge­ nid-GICs besitzen einen Mangel an Stabilität in einer Atmosphäre mit hoher Feuchtigkeit wie oben beschrieben, was bei der praktischen Anwendung solcher GICs als ein leitfähiges Material ein ernster Nachteil ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, eine Metallhalogenid-Graphit-Einlagerungs­ verbindung mit großer Stabilität hinsichtlich Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch zwischenschichtiges Einlagern einer Mischung aus PbCl2 und einem Metallhalogenid, das für sich fähig ist, mit Graphit eine Einlagerungsverbindung zu bilden, in Graphit mit schichtförmiger Kristallstruktur.
Im Stand der Technik wurde kein Beispiel gefunden, daß PbCl2 zwischen Graphitschichten eingeführt worden wäre. Es wurde überlegt, daß aus PbCl2 allein unter kei­ ner Bedingung eine Graphit-Einlagerungsverbindung gebildet würde. Erfindungsgemäß wird jedoch eine Mischung aus PbCl2 und einem Metallhalogenid, das für sich fähig ist, mit Graphit unter Bildung einer Graphit-Einlagerungsverbindung zu reagieren, unter einer vorbestimmten Synthesebedingung mit Graphit zur Reaktion gebracht, wodurch das Metallhalogenid während seiner Reaktion mit Graphit gleichzeitig PbCl2 zwischenschichtig in Graphit aufnimmt, so daß PbCl2 und das von PbCl2 verschiedene Metallhaloge­ nid in Graphit zwischenschichtig eingelagert werden können.
Die Einlagerung wird zweckmäßigerweise durchgeführt durch Mischen von Graphit-Rohmaterial mit PbCl2 und dem anderen Metallhalogenid, Erhitzen der Mischung bei einer Temperatur von 300°C-350°C, wodurch die Mischung miteinander reagiert, zumindest für eine gewisse Zeitspanne, um das Gewicht des Graphit- Rohmaterials zu erhöhen, und zwar zur Herstellung der Graphit-Einlagerungsverbindung.
Versuche der Erfinder bestätigten, daß eine Graphit-Einlagerungsverbindung, die dergestalt hergestellt wurde, daß die Verbindung PbCl2 und ein Metallhalogenid, das für sich fähig ist, mit Graphit eine Einlagerungsverbindung zu bilden, als Gastsubstanz enthielt, nicht nur eine höhere Leitfähigkeit zeigt, sondern auch eine be­ trächtlich verbesserte Stabilität hinsichtlich Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit, verglichen mit der Stabilität gegen Feuchtigkeit von bekannten Metallhalogenid-GICs. Das liegt daran, daß die meisten Metallhalogenide zerfließend und leicht löslich in Wasser sind, während PbCl2 als Ausnahme nicht zerfließend und gering löslich in Wasser ist. Wegen dieser Eigenschaften von PbCl2 wird die Graphit-Einlagerungsverbindung als eine Verbindung mit hervorragender Stabilität hinsichtlich Wider­ standsfähigkeit gegen Feuchtigkeit betrachtet. Das heißt, es ist bekannt, daß die eingeführte Substanz (Metallhalogenid), wenn sie schichtig zwischen Graphit eingefügt ist, nahezu die gleiche Struktur besitzt wie vor der Einfügung, was ein möglicher Grund dafür ist, warum die sich ergebende inter­ laminare Graphitverbindung eine hervorragende Stabilität hinsichtlich Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit besitzt.
Die Ergebnisse der Erfinder zeigen außerdem, daß die Stabilität hinsichtlich Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit in Beziehung steht zu dem Anteil an PbCl2 an der Gastsubstanz in der interlaminaren Graphitverbindung. PbCl2 und FeCl3 werden in einem Beispiel als Gastsubstanzen verwendet, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, verursacht eine Steigerung des molaren Verhält­ nisses von Pb/Fe in einer eingeführten Substanz eine Steigerung in der Stabilität der Widerstands­ fähigkeit gegen Feuchtigkeit; wenn das molare Verhältnis von Pb/Fe 0,05 oder höher ist, besitzt die Graphit-Einlagerungsverbindung eine größere Stabilität hinsichtlich Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit als übliche FeCl3-GICs; wenn das Verhältnis 0,24 oder größer ist, zeigt die Verbindung eine Stabilität hinsichtlich Wider­ standsfähigkeit gegen Feuchtigkeit, die bei der praktischen Verwendung keine Probleme verursacht; und wenn das Verhältnis 0,5 oder größer ist, wird die Stabilität der Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit bis auf einen Wert verbessert, der dem Wert des Graphitwirts identisch ist.
Erfindungsgemäß hat das zusammen mit PbCl2 verwen­ dete Metallhalogenid die Funktion, das PbCl2 zwi­ schen die Graphitschichten einzuführen. Als solche Halogenide werden FeCl3, CuCl2, AlCl3, GaCl3, CoCl2, MnCl2, CrCl3, MoCl5, CdCl2 und dergleichen verwendet. Unter ihnen sind FeCl3 und CuCl2 inso­ fern zu bevorzugen, als keine Einführung von giftigem Chlorgas von außerhalb notwendig ist, da sie Chlorgas durch ihre Disproportionierung erzeugen, und insofern, als die geeignetste Temperatur zur Reaktion von Graphit mit ihnen, nämlich 300°C bis 550°C, industriell vorteilhaft ist.
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Graphit- Einlagerungsverbindung sind das Verhältnis von Wirt und Gastsubstanz, das Beladungsverhältnis der Gastsubstanz an PbCl2 und anderen Metallhalogeni­ den und die Herstellungsbedingungen von Bedeutung. Wenn sich die Bedingungen ändern, sind die Eigen­ schaften einer so erhaltenen Graphit-Einlagerungs­ verbindung unterschiedlich.
Der Anteil an PbCl2 an der Gastsubstanz einer Graphit-Einlagerungsverbindung, der die Stabilität hinsichtlich Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtig­ keit steuert, steht sowohl mit dem Beladungs­ verhältnis an den Materialien PbCl2 und anderen Metallhalogeniden als auch mit der Herstellungs­ temperatur in Beziehung. Ein höheres Beladungs­ verhältnis an PbCl2 und eine höhere Synthese­ temperatur verursachen eine Erhöhung der Menge an Pb in einer Graphit-Einlagerungsverbindung und führen so zur Stabilität hinsichtlich Widerstands­ fähigkeit gegen Feuchtigkeit. Wenn z. B. natürlicher Graphit mit einer mittleren Teilchengröße von 10 µm als Wirt verwendet wird, während PbCl2 und FeCl3 als Gastsubstanzen verwendet werden, und die Synthese in einem verschlossenen Rohr durchgeführt wird, wird z. B. bei einer Synthesetemperatur von 300°C oder mehr zusammen mit FeCl3 eine kleine Menge an PbCl2 zwischenschichtig in den Graphit eingeführt, wie in dem Gebiet mit gestrichelter Linie in Fig. 6 gezeigt; im Gebiet mit schräggeneigten Linien (Gebiet A) kann eine Graphit-Einlagerungs­ verbindung erhalten werden, die den gleichen Grad an Stabilität hinsichtlich Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit aufweist wie der Graphitwirt oder einen Grad, der bei der praktischen Verwendung problemlos ist. In dem für die praktische Verwendung vorteilhaftesten Gebiet ist die Ober­ grenze der Herstellungstemperatur 954°C, was dadurch bestimmt wird, daß die Verdampfung des als reaktive Substanz verwendeten Metallhalogenids den Dampfdruck innerhalb eines Reaktionsgefäßes merklich erhöht, wodurch eine gefährliche Situation entstehen kann, und der Siedepunkt von PbCl2 bei 954°C liegt.
Das Beladungsverhältnis von PbCl2 und FeCl3 ist im Bereich von 95% PbCl2 und 5% FeCl3 bis 40% PbCl2 und 60% FeCl3. Dieser Bereich ist so bestimmt, weil, wenn der Anteil an FeCl3 in der Mischung zu gering ist, nur eine extrem kleine Menge an FeCl3, das die Einführung von PbCl2 zwischen die Graphitschichten bewirkt, mit Graphit reagiert und weil, wenn der Anteil an FeCl3 zu groß ist, FeCl3 bevorzugt mit Graphit reagiert, so daß fast kein PbCl2 in den Graphit eingeführt wird.
Wenn ein anderes Metallhalogenid als FeCl3 zusammen mit PbCl2 verwendet wird, kann die angestrebte Graphit-Einlagerungsverbindung durch geeignete Abänderung der Herstellungsbedingungen erhalten werden.
Die Zeichnungen beziehen sich auf Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine charakteristische Kurve der Stabili­ tät hinsichtlich Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit von Graphit-Roh­ material;
Fig. 2 eine charakteristische Kurve, die die Stabilität hinsichtlich Widerstandsfähig­ keit gegen Feuchtigkeit einer jeden bei einer Temperatur von 300°C synthetisier­ ten Probe zeigt;
Fig. 3 eine charakteristische Kurve, die die Stabilität hinsichtlich Widerstandsfähig­ keit gegen Feuchtigkeit einer jeden bei einer Temperatur von 450°C synthetisier­ ten Probe zeigt;
Fig. 4 eine charakteristische Kurve, die die Stabilität hinsichtlich Widerstandsfähig­ keit gegen Feuchtigkeit einer jeden bei einer Temperatur von 540°C synthetisier­ ten Probe zeigt;
Fig. 5 eine Kurve, die das molare Verhältnis von in der GIC enthaltenem Pb/Fe einer jeden Probe und die Ergebnisse ihrer Bestimmung nach 250 Stunden an Feuchtigkeit zeigt; und
Fig. 6 eine graphische Darstellung, in der die Herstellungsbedingung einer jeden Probe aufgetragen ist auf der Kurve, die den Anteil an PbCl2-FeCl3 darstellt.
Im folgenden werden Ausführungsformen der vorlie­ genden Erfindung näher erläutert.
Beispiel 1
Unter Verwendung von natürlichem Graphit mit einer mittleren Teilchengröße von 10 µm als Wirt und durch Veränderung des Beladungsverhältnisses und der Herstellungstemperatur wurden neun Typen an PbCl2-FeCl3-GICs nach einem Mischverfahren herge­ stellt. Das heißt, ein Graphit-Rohmaterial, PbCl2 und FeCl3 wurden in einem vorbestimmten Beladungs­ verhältnis in ein Pyrex-Glas-Reaktionsrohr eingebracht und zusammengemischt, gefolgt von einstündigem Erhitzen unter Vakuum-Ziehen bei 120°C, um ausreichende Dehydratisierung zu erreichen. Dann wurde das Reaktionsrohr durch Abschmelzen verschlossen, gefolgt von Erhitzen und Reaktion bei einer vorbestimmten Temperatur von 300°C-540°C für 24 Stunden. Das entstehende Reaktionsprodukt wurde wiederholt in kochendem Wasser und Methanol zur Entfernung der unreaktiven Metallhalogenide von der Probenoberfläche gewaschen, um die in Tab. 1 gezeigten Proben Nr. 1-9 (Graphit-Einlagerungsverbindungen) zu erhalten.
Der Widerstand einer jeden Probe wurde nach dem Vier-Sonden-Verfahren gemessen, einschließlich Verschweißen unter Druckausübung auf jede Pulver­ probe und Messen einer Potentialdifferenz im gepreßten Zustand. Die Ergebnisse sind auch in Tab. 1 gezeigt. Der Widerstand des Graphit-Rohmaterials war 8,6 mΩ·m.
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, wird die Tendenz beobachtet, daß das Verhältnis von Pb zu Fe in der synthetisierten Graphit-Einlagerungsverbin­ dung bei einem größeren Beladungsverhältnis von PbCl2 und einer höheren Herstellungstemperatur größer ist, und daß PbCl2 leicht in Graphit zwischenschichtig eingeführt wird.
Was den Widerstand betrifft, wurde die Tendenz beobachtet, daß der Widerstand niedriger wurde, wenn das Gewicht von Gastsubstanz im Verhältnis zu dem Gewicht des Wirts größer wurde, und daß der Widerstand das etwa 1/2-1/3-fache dessen des Wirts war, wenn das Gewicht an Gastsubstanz 40% oder mehr betrug. Das heißt, die entstehende Graphit- Einlagerungsverbindung zeigte eine fast so hohe Leitfähigkeit wie die von FeCl3-GIC. Die in Tab. 1 gezeigten Werte sind die Widerstände der gepreßten Pulverpreßlinge der Proben, einschließlich des Kontaktwiderstands zwischen den Teilchen, so daß die Werte möglicherweise ein wenig größer sind als die Eigenwiderstände der Produkte.
Dann wurden die in Tab. 1 gezeigten Proben Nr. 1-9 einzeln in einem organischen Bindemittel (Phenol­ harz) zur Umformung in Pasten dispergiert, die dann druckbehandelt und thermisch gehärtet wurden, um experi­ mentell elektrische Leiter herzustellen. Diese elektrischen Leiter wurden in einer Atmosphäre mit einem hohen Feuchtigkeitsgehalt von 90% relativer Feuchtigkeit bei 40°C stehengelassen, um die Wider­ standswerte bei verschiedenen Zeiten zu messen zur Bestimmung der Stabilität hinsichtlich Widerstands­ fähigkeit gegen Feuchtigkeit einer jeden Probe. Die Ergebnisse sind in den Fig. 1 bis 6 gezeigt. Fig. 1 zeigt die Meßergebnisse für das Graphit-Rohmate­ rial; Fig. 2 zeigt die Meßergebnisse der Proben Nr. 1-3; Fig. 3 zeigt die Meßergebnisse der Proben Nr. 4-6; Fig. 4 zeigt die Meßergebnisse der Proben Nr. 7-9; Fig. 5 zeigt die Meßergebnisse des Mol-Ver­ hältnisses von Pb/Fe in den GICs der Proben Nr. 1-9 zusammen mit den Ergebnissen ihrer Bestimmung nach 250 Stunden in Feuchtigkeit; Fig. 6 zeigt die Kurve, bei der die Herstellungsbedingungen der Proben Nr. 1-9, nämlich Beladungsverhältnis und Herstellungs-Temperatur, auf der die Menge an PbCl2-FeCl3 zeigenden Kurve aufgetragen sind. In Fig. 6 gibt der Zahlenwert oberhalb eines jeden Punkts die Probennummer an und der Zahlenwert unterhalb eines jeden Punkts die Ergebnisse der Bestimmung der Änderungsrate des Widerstandswerts nach 250 Stunden in Feuchtigkeit. Zum Vergleich wurde experimentell ein leitendes Material herge­ stellt aus der Paste mit FeCl3-GIC dispergiert in einem organischen Bindemittel, und die Änderungs­ rate des Widerstandswerts des elektrischen Leiters wurde dann unter gleichen Bedingungen gemessen. Selbst nach 100 Stunden war die Änderung des Wider­ standswerts nicht beendet, und der Widerstandswert stieg im Mittel um 27%, verglichen mit dem Anfangswert.
Wie aus den Fig. 2 bis 6 ersichtlich, besaß der elektrische Leiter mit PbCl2-FeCl3-GIC als leiten­ dem Material eine geringere Änderungsrate des Widerstandswerts mit der Zeit in einer Atmosphäre mit höherer Feuchtigkeit, und die unter den in Region A von Fig. 6 gezeigten Herstellungs­ bedingungen hergestellte GIC enthält Pb in einem Mol-Verhältnis von Pb zu Fe in der GIC von 0,2 oder mehr. Der elektrische Leiter zeigt eine hervor­ ragende Stabilität hinsichtlich Widerstandsfähig­ keit gegen Feuchtigkeit, die der Stabilität des Graphit-Rohmaterials fast gleich ist oder zumindest keine Probleme im Hinblick auf die praktische Verwendung verursacht.
Nachfolgend werden Herstellungsbeispiele erläutert, bei denen unter den Synthesebedingungen das Beladungsverhältnis von Wirtmaterial und Gastmate­ rial und die Synthesetemperatur verändert werden.
Beispiel 2
Ein Gramm Naturgraphit-Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 400 µm, 3,38 g FeCl3 und 5,79 g PbCl2 wurden zusammengemischt und bei 300°C in einem Stickstoffstrom von 20 ml/Min. eine Stunde lang zur Reaktion gebracht. Nach dem Waschen in heißer, wäßriger Salzsäure wurde die so erhaltene Probe mit energiedispersiver Spektroskopie analysiert. Es wurde beobachtet, daß selbst bei diesen Synthesebedingungen die Chloride PbCl2 und FeCl3 beide zwischenschichtig in den Graphit eingeführt wurden und Stufe 4 GIC bildeten.
Beispiel 3
Ein Gramm Naturgraphit-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 400 µm, 3,38 g FeCl3 und 5,79 g PbCl2 wurden zusammengemischt und bei 250°C in einem Stickstoffstrom von 15 ml/Min. eine Stunde lang zur Reaktion gebracht. Es wurde in diesem Fall bestätigt, daß, wie in Beispiel 2, PbCl2 zusammen mit FeCl3 zwischenschichtig in Graphit eingeführt wurde und Stufe 2 GIC bildete.
Wie oben beschrieben, werden PbCl2 und andere Metallhalogenide, die für sich fähig sind, mit Graphit eine Einlagerungsverbindung zu bilden, in einem vorbestimmten Verhältnis mit Graphit gemischt. Die entstehende Mischung wird zur Synthese einer Graphit-Einlagerungsverbindung bei einer vorbestimmten Temperatur miteinander zur Reaktion gebracht, um das PbCl2 so befähigen, zwischenschichtig eingelagert zu werden, so daß eine höhere Stabilität in einer Atmosphäre mit höherer Feuchtigkeit erreicht werden kann, die von üblichen Metallhalogenid-GICs nicht geschaffen wird, zusätzlich zu der hohen Leitfähgikeit als Vorteil der üblichen Metallhalogenid-GICs. Weiter­ hin sind die Rohmaterialien nicht kostspielig und ihre Herstellung ist einfach. Ihre Anwendung als hervorragendes Leitermaterial kann erwartet werden. Das heißt, ein Widerstand mit einem niedrigeren Widerstand und ein Leitermaterial mit großer Leit­ fähigkeit kann billig hergestellt werden, wobei diese Eigenschaften in einer Umgebung mit höheren Temperaturen und höherer Feuchtigkeit nicht leicht geändert werden, so daß ihr praktischer Wert äußerst hoch ist.
Wie vorstehend erläutert wurde, kann erfindungs­ gemäß eine neue interlaminare Graphitverbindung hergestellt werden durch zwischenschichtiges Einfügen von PbCl2 und einem Metallhalogenid, das für sich fähig ist, mit Graphit eine Einlagerungsverbindung zu bilden, in Graphit. Die Graphit-Einlagerungsverbindung zeigt nicht nur eine höhere Leitfähigkeit, sondern besitzt auch eine hervorragende Stabilität hinsichtlich Wider­ standsfähigkeit gegen Feuchtigkeit, so daß die Verbindung als Leitermaterial hochgradig nützlich ist. Daher kann die vorliegende Erfindung eine interlaminare Graphitverbindung mit äußerst hoher praktischer Wirkung schaffen.

Claims (1)

  1. Graphit-Einlagerungsverbindung, mit zwischenschichtig in Graphit mit schichtförmiger Kristallstruktur eingelagerten Metallhalogeniden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus PbCl₂ und einem Metallhalogenid, das für sich fähig ist, mit Graphit eine Einlagerungsverbindung zu bilden, eingelagert ist.
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