56947
2020
2020
eng
8
1
postprint
1
2020-11-27
2020-11-27
--
Immobilization of gold-on-carbon catalysts onto perfluorocarbon emulsion droplets to promote oxygen delivery in aqueous phase (D)-glucose oxidation
The catalytic activity of metal nanoparticles (NPs) supported on porous supports can be controlled by various factors, such as NPs size, shape, or dispersivity, as well as their interaction with the support or the properties of the support material itself. However, these intrinsic properties are not solely responsible for the catalytic behavior of the overall reaction system, as the local environment and surface coverage of the catalyst with reactants, products, intermediates and other invloved species often play a crucial role in catalytic processes as well. Their contribution can be particularly critical in liquid-phase reactions with gaseous reactants that often suffer from low solubiltiy. One example is (D)-glucose oxidation with molecular oxygen over gold nanoparticles supported on porous carbons. The possibility to promote oxygen delivery in such aqueous phase oxidation reactions via the immobilization of heterogenous catalysts onto the interface of perfluorocarbon emulsion droplets is reported here. Gold-on-carbon catalyst particles can stabilize perfluorocarbon droplets in the aqueous phase and the local concentration of the oxidant in the surroundings of the gold nanoparticles accelerates the rate-limiting step of the reaction. Consequently, the reaction rate of a system with the optimal volume fraction of fluorocarbon is higher than a reference emulsion system without fluorocarbon, and the effect is observed even without additional oxygen supply.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1867-3880
1867-3899
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1866-8372
10.25932/publishup-56947
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WOS:000592480300001
Zeininger, L; Oschatz, M (corresponding author), Max Planck Inst Colloids & Interfaces, Dept Colloid Chem, Muhlenberg 1, D-14476 Potsdam, Germany.; Oschatz, M (corresponding author), Univ Potsdam, Inst Chem, Karl Liebknecht Str 24-25, D-14476 Potsdam, Germany., lukas.zeininger@mpikg.mpg.de; martin.oschatz@mpikg.mpg.de
Max Planck SocietyMax Planck SocietyFoundation CELLEX; Deutsche; Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation)German Research; Foundation (DFG) [XC 2008/1-390540038]; Emmy-Noether program of the; German Research Foundation (DFG)German Research Foundation (DFG); [ZE1121-3]; Projekt DEAL
Oschatz, Martin
2022-12-02T09:17:50+00:00
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Version of Record
ChemCatChem 2021, 13, 196. https://doi.org/10.1002/cctc.202001590
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CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Milena Perovic
Lukas Zeininger
Martin Oschatz
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1362
eng
uncontrolled
perfluorocarbon emulsion
eng
uncontrolled
glucose oxidation
eng
uncontrolled
porous carbon
eng
uncontrolled
gas
eng
uncontrolled
solubility
eng
uncontrolled
pickering emulsion
eng
uncontrolled
liquid-phase catalysis
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Import
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/56947/zmnr1362.pdf
51479
2021
2021
eng
16
143
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1
2021-03-13
2021-03-13
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Development, validation, and application of a multi-method for the determination of mycotoxins, plant growth regulators, tropane alkaloids, and pesticides in cereals by two-dimensional liquid chromatography tandem mass spectrometry
Mycotoxins and pesticides regularly co-occur in agricultural products worldwide. Thus, humans can be exposed to both toxic contaminants and pesticides simultaneously, and multi-methods assessing the occurrence of various food contaminants and residues in a single method are necessary. A two-dimensional high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry method for the analysis of 40 (modified) mycotoxins, two plant growth regulators, two tropane alkaloids, and 334 pesticides in cereals was developed. After an acetonitrile/water/formic acid (79:20:1, v/v/v) multi-analyte extraction procedure, extracts were injected into the two-dimensional setup, and an online clean-up was performed. The method was validated according to Commission Decision (EC) no. 657/2002 and document N° SANTE/12682/2019. Good linearity (R2 > 0.96), recovery data between 70-120%, repeatability and reproducibility values < 20%, and expanded measurement uncertainties < 50% were obtained for a wide range of analytes, including very polar substances like deoxynivalenol-3-glucoside and methamidophos. However, results for fumonisins, zearalenone-14,16-disulfate, acid-labile pesticides, and carbamates were unsatisfying. Limits of quantification meeting maximum (residue) limits were achieved for most analytes. Matrix effects varied highly (−85 to +1574%) and were mainly observed for analytes eluting in the first dimension and early-eluting analytes in the second dimension. The application of the method demonstrated the co-occurrence of different types of cereals with 28 toxins and pesticides. Overall, 86% of the samples showed positive findings with at least one mycotoxin, plant growth regulator, or pesticide.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-514795
1866-8372
10.25932/publishup-51479
Version of Record
Anal Bioanal Chem 413, 3041–3054 (2021). https://doi.org/10.1007/s00216-021-03239-1
<a href="http://publishup.uni-potsdam.de/51478">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
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CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Ann-Kristin Rausch
Robert Brockmeyer
Tanja Schwerdtle
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1365
eng
uncontrolled
2D-LC-MS/MS
eng
uncontrolled
Multi-method
eng
uncontrolled
Mycotoxins
eng
uncontrolled
Modified mycotoxins
eng
uncontrolled
Pesticides
eng
uncontrolled
Cereals
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/51479/zmnr1365.pdf
57056
2020
2020
eng
10
1
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1
2020-11-18
2020-11-18
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Sustainable cathodes for Lithium-ion energy storage devices based on tannic acid-toward ecofriendly energy storage
The use of organic materials with reversible redox activity holds enormous potential for next-generation Li-ion energy storage devices. Yet, most candidates are not truly sustainable, i.e., not derived from renewable feedstock or made in benign reactions. Here an attempt is reported to resolve this issue by synthesizing an organic cathode material from tannic acid and microporous carbon derived from biomass. All constituents, including the redox-active material and conductive carbon additive, are made from renewable resources. Using a simple, sustainable fabrication method, a hybrid material is formed. The low cost and ecofriendly material shows outstanding performance with a capacity of 108 mAh g(-1) at 0.1 A g(-1) and low capacity fading, retaining approximately 80% of the maximum capacity after 90 cycles. With approximately 3.4 V versus Li+/Li, the cells also feature one of the highest reversible redox potentials reported for biomolecular cathodes. Finally, the quinone-catecholate redox mechanism responsible for the high capacity of tannic acid is confirmed by electrochemical characterization of a model compound similar to tannic acid but without catecholic groups.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-570560
1866-8372
10.25932/publishup-57056
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2000206
WOS:000589945500001
Ilic, IK; Liedel, C (corresponding author), Max Planck Inst Colloids & Interfaces, Dept Colloid Chem, Muhlenberg 1, D-14476 Potsdam, Germany., ivan.ilic@mpikg.mpg.de; clemens.liedel@mpikg.mpg.de
German Research Foundation (DFG)German Research Foundation (DFG) [LI; 2526/4-1]; German Federal Ministry of Education and Research; [BMBF]Federal Ministry of Education & Research (BMBF) [13XP5050A]; Fraunhofer-Max Planck cooperation project [Glyco3Display] the Max Planck; Society; Max Planck Institute of Colloids and Interfaces; Projekt DEAL
Ilic, Ivan K.
2022-12-09T07:27:23+00:00
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Version of Record
Adv. Sustainable Syst. 2021, 5, 2000206. https://doi.org/10.1002/adsu.202000206
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CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Ivan K. Ilic
Alexandra Tsouka
Milena Perovic
Jinyeon Hwang
Tobias Heil
Felix F. Löffler
Martin Oschatz
Markus Antonietti
Clemens Liedel
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1366
eng
uncontrolled
biomass
eng
uncontrolled
electrochemistry
eng
uncontrolled
energy storage
eng
uncontrolled
redox chemistry
eng
uncontrolled
sustainability
eng
uncontrolled
tannic acid
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Import
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/57056/zmnr1366.pdf
57167
2020
2020
eng
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1
2020-11-16
2020-11-16
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Electrical actuation of coated and composite fibers based on poly[ethylene-co-(vinyl acetate)]
Robots are typically controlled by electrical signals. Resistive heating is an option to electrically trigger actuation in thermosensitive polymer systems. In this study electrically triggerable poly[ethylene-co-(vinyl acetate)] (PEVA)-based fiber actuators are realized as composite fibers as well as polymer fibers with conductive coatings. In the coated fibers, the core consists of crosslinked PEVA (cPEVA), while the conductive coating shell is achieved via a dip coating procedure with a coating thickness between 10 and 140 mu m. The conductivity of coated fibers sigma = 300-550 S m(-1) is much higher than that of the composite fibers sigma = 5.5 S m(-1). A voltage (U) of 110 V is required to heat 30 cm of coated fiber to a targeted temperature of approximate to 65 degrees C for switching in less than a minute. Cyclic electrical actuation investigations reveal epsilon '(rev) = 5 +/- 1% reversible change in length for coated fibers. The fabrication of such electro-conductive polymeric actuators is suitable for upscaling so that their application potential as artificial muscles can be explored in future studies.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571679
1866-8372
10.25932/publishup-57167
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2000579
WOS:000589657800001
Lendlein, A (corresponding author), Helmholtz Zentrum Geesthacht, Inst Biomat Sci, Kantstr 55, D-14513 Teltow, Germany.; Lendlein, A (corresponding author), Helmholtz Zentrum Geesthacht, Berlin Brandenburg Ctr Regenerat Therapies, Kantstr 55, D-14513 Teltow, Germany., andreas.lendlein@hzg.de
Helmholtz AssociationHelmholtz Association; European UnionEuropean; Commission [824074]; Projekt DEAL
Lendlein, Andreas
2022-12-16T07:06:02+00:00
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<a href="https://publishup.uni-potsdam.de/57166">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
Version of Record
Macromol. Mater. Eng. 2021, 306, 2000579. https://doi.org/10.1002/mame.202000579
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Muhammad Farhan
Deeptangshu Chaudhary
Ulrich Nöchel
Marc Behl
Karl Kratz
Andreas Lendlein
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1375
eng
uncontrolled
artificial muscles
eng
uncontrolled
fiber actuators
eng
uncontrolled
resistive heating
eng
uncontrolled
shape‐memory polymer actuators
eng
uncontrolled
soft robotics
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Import
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/57167/zmnr1375.pdf
54891
2020
2020
eng
14
1-2
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1
2020-06-17
2020-06-17
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Organic dye anchor peptide conjugates as an advanced coloring agent for polypropylene yarn
Polypropylene as one of the world's top commodity polymers is also widely used in the textile industry. However, its non-polar nature and partially crystalline structure significantly complicate the process of industrial coloring of polypropylene. Currently, textiles made of polypropylene or with a significant proportion of polypropylene are dyed under quite harsh conditions, including the use of high pressures and temperatures, which makes this process energy intensive. This research presents a three-step synthesis of coloring agents, capable of adhering onto synthetic polypropylene yarns without harsh energy-consuming conditions. This is possible by encapsulation of organic pigments using trimethoxyphenylsilane, introduction of surface double bonds via modification of the silica shell with trimethoxysilylpropylmethacrylate and final attachment of highly adhesive anchor peptides using thiol-ene chemistry. We demonstrate the applicability of this approach by dyeing polypropylene yarns in a simple process under ambient conditions after giving a step-by-step guide for the synthesis of these new dyeing agents. Finally, the successful dyeing of the yarns is visualized, and its practicability is discussed.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
10.25932/publishup-54891
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548913
1866-8372
online registration
publish
<a href="https://publishup.uni-potsdam.de/60903">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
Textile Research Journal. 2021;91(1-2):28-39. doi:10.1177/0040517520932231
Version of Record
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CC-BY-NC - Namensnennung, nicht kommerziell 4.0 International
Marc Zimmermann
Benjamin René Harald Stomps
Christine Schulte-Osseili
Dmitry Grigoriev
Dirk Ewen
Andrew Morgan
Alexander Böker
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1380
eng
uncontrolled
anchor peptides
eng
uncontrolled
organic dye pigments
eng
uncontrolled
coloring agents
eng
uncontrolled
polypropylene yarns
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/54891/zmnr1380.pdf
56624
2020
2020
eng
15
3
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1
2020-12-05
2020-12-05
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Sulfur tuning of [1,3]-dioxolo[4.5-f]benzodioxole (DBD) fluorescent dyes
The replacement of oxygen by sulfur atoms of [1,3]-dioxolo[4.5-f]benzodioxole (DBD) fluorescent dyes is an efficient way to adjust the photophysical properties (sulfur tuning). While previously developed S-4-DBD dyes exhibit considerably red-shifted absorption and emission wavelength, the heavy atom effect of four sulfur atoms cause low fluorescence quantum yields and short fluorescence lifetimes. Herein, we demonstrate that the replacement of less than four sulfur atoms (S-1-DBD, 1,2-S-2-DBD, and 1,4-S-2-DBD dyes) permits a fine-tuning of the photophysical properties. In some cases, a similar influence on the wavelength without the detrimental effect on the quantum yields and lifetimes is observed. Furthermore, the synthetic accessibility of S-1- and S-2-DBD dyes is improved, compared with S-4-DBD dyes. For coupling with biomolecules a series of reactive derivatives of the new dyes were developed (azides, OSu esters, alkynes, maleimides).
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
10.25932/publishup-56624
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1866-8372
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WOS:000603161500001
Wessig, P (corresponding author), Univ Potsdam, Inst Chem, Karl Liebknecht Str 24-25, D-14476 Potsdam, Germany., wessig@uni-potsdam.de
Projekt DEAL
Wessig, Pablo
2022-11-09T12:33:07+00:00
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<a href="https://publishup.uni-potsdam.de/56623">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
1475010-7
1410000-9
P. Wessig, L. John, E. Sperlich, A. Kelling, Eur. J. Org. Chem. 2021, 2021, 499.
Version of Record
CC-BY-NC-ND - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitungen 4.0 International
Pablo Wessig
Leonard John
Eric Sperlich
Alexandra Kelling
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1381
eng
uncontrolled
fluorescent dyes
eng
uncontrolled
heterocycles
eng
uncontrolled
photophysics
eng
uncontrolled
stokes shift
eng
uncontrolled
sulfur
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Import
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/56624/zmnr1381.pdf
56658
2020
2020
eng
11
1
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1
2020-12-02
2020-12-02
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Enzyme degradable polymersomes from chitosan-g-[poly-l-lysine-block-epsilon-caprolactone] copolymer
The scope of this study includes the synthesis of chitosan-g-[peptide-poly-epsilon-caprolactone] and its self-assembly into polymeric vesicles employing the solvent shift method. In this way, well-defined core-shell structures suitable for encapsulation of drugs are generated. The hydrophobic polycaprolactone side-chain and the hydrophilic chitosan backbone are linked via an enzyme-cleavable peptide. The synthetic route involves the functionalization of chitosan with maleimide groups and the preparation of polycaprolactone with alkyne end-groups. A peptide functionalized with a thiol group on one side and an azide group on the other side is prepared. Thiol-ene click-chemistry and azide-alkyne Huisgen cycloaddition are then used to link the chitosan and poly-epsilon-caprolactone chains, respectively, with this peptide. For a preliminary study, poly-l-lysin is a readily available and cleavable peptide that is introduced to investigate the feasibility of the system. The size and shape of the polymersomes are studied by dynamic light scattering and cryo-scanning electron microscopy. Furthermore, degradability is studied by incubating the polymersomes with two enzymes, trypsin and chitosanase. A dispersion of polymersomes is used to coat titanium plates and to further test the stability against enzymatic degradation.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
10.25932/publishup-56658
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-566584
1866-8372
33289254
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2000259
WOS:000595313700001
Menzel, H (corresponding author), Tech Univ Carolo Wilhelmina Braunschweig, Inst Tech Chem, Hagenring 30, D-38106 Braunschweig, Germany., h.menzel@tu-braunschweig.de
Deutsche Forschungsgemeinschaft DFGGerman Research Foundation (DFG); [Me1057/18-1]
Menzel, Henning
2022-11-14T08:36:13+00:00
sword
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<a href="https://publishup.uni-potsdam.de/56657">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
Macromol. Biosci. 2021, 21, 2000259. https://doi.org/10.1002/mabi.202000259
Version of Record
CC-BY-NC - Namensnennung, nicht kommerziell 4.0 International
Yannick Bourgat
Brigitte Tiersch
Joachim Koetz
Henning Menzel
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1382
eng
uncontrolled
chitosan
eng
uncontrolled
click chemistry
eng
uncontrolled
drug delivery system
eng
uncontrolled
enzyme
eng
uncontrolled
polymersomes
eng
uncontrolled
poly‐ ε ‐ caprolactone
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Import
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/56658/zmnr1382.pdf
57061
2020
2020
eng
13
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1
2020-11-18
2020-11-18
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New (and old) monomers from biorefineries to make polymer chemistry more sustainable
This opinion article describes recent approaches to use the "biorefinery" concept to lower the carbon footprint of typical mass polymers, by replacing parts of the fossil monomers with similar or even the same monomer made from regrowing dendritic biomass. Herein, the new and green catalytic synthetic routes are for lactic acid (LA), isosorbide (IS), 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), and p-xylene (pXL). Furthermore, the synthesis of two unconventional lignocellulosic biomass derivable monomers, i.e., alpha-methylene-gamma-valerolactone (MeGVL) and levoglucosenol (LG), are presented. All those have the potential to enter in a cost-effective way, also the mass market and thereby recover lost areas for polymer materials. The differences of catalytic unit operations of the biorefinery are also discussed and the challenges that must be addressed along the synthesis path of each monomers.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
10.25932/publishup-57061
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-570614
1866-8372
33205563
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2000485
WOS:000589951300001
Antonietti, M (corresponding author), Max Planck Inst Colloids & Interfaces, Dept Colloid Chem, Karl Liebknecht Str 24-25, D-14476 Potsdam, Germany., office.cc@mpikg.mpg.de
Max Planck SocietyMax Planck SocietyFoundation CELLEX; University of; Potsdam
Antonietti, Markus
2022-12-09T08:31:21+00:00
sword
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b48eaadddf34baa240142c844f963ba1
<a href="https://publishup.uni-potsdam.de/57060">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
Macromol. Rapid Commun. 2021, 42, 2000485. https://doi.org/10.1002/marc.202000485
Version of Record
CC-BY-NC-ND - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitungen 4.0 International
Majd Al-Naji
Helmut Schlaad
Markus Antonietti
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1385
eng
uncontrolled
biodegradable polymers
eng
uncontrolled
biorefineries
eng
uncontrolled
carbohydrate‐ based
eng
uncontrolled
monomers
eng
uncontrolled
green polymers
eng
uncontrolled
lignocellulosic biomass
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Import
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/57061/zmnr1385.pdf
51434
2020
2020
eng
10
11
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1
2020-02-24
2020-02-24
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Shaping metallic nanolattices
A method for the fabrication of well-defined metallic nanostructures is presented here in a simple and straightforward fashion. As an alternative to lithographic techniques, this routine employs microcontact printing utilizing wrinkled stamps, which are prepared from polydimethylsiloxane (PDMS), and includes the formation of hydrophobic stripe patterns on a substrate via the transfer of oligomeric PDMS. Subsequent backfilling of the interspaces between these stripes with a hydroxyl-functional poly(2-vinyl pyridine) then provides the basic pattern for the deposition of citrate-stabilized gold nanoparticles promoted by electrostatic interaction. The resulting metallic nanostripes can be further customized by peeling off particles in a second microcontact printing step, which employs poly(ethylene imine) surface-decorated wrinkled stamps, to form nanolattices. Due to the independent adjustability of the period dimensions of the wrinkled stamps and stamp orientation with respect to the substrate, particle arrays on the (sub)micro-scale with various kinds of geometries are accessible in a straightforward fashion. This work provides an alternative, cost-effective, and scalable surface-patterning technique to fabricate nanolattice structures applicable to multiple types of functional nanoparticles. Being a top-down method, this process could be readily implemented into, e.g., the fabrication of optical and sensing devices on a large scale.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
Design by microcontact printing from wrinkled stamps
10.25932/publishup-51434
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-514341
1866-8372
32091182
online registration
publish
<a href="http://publishup.uni-potsdam.de/57903">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
Small 2020, 16, 1906721. https://doi.org/10.1002/smll.201906721
Version of Record
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CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Xuepu Wang
Marcel Sperling
Martin Reifarth
Alexander Böker
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1391
eng
uncontrolled
gold nanoparticle assembly
eng
uncontrolled
hydroxyl-functional poly(2-vinyl pyridine)
eng
uncontrolled
metallic nanolattices
eng
uncontrolled
microcontact printing
eng
uncontrolled
oligomeric polydimethylsiloxane
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uncontrolled
polydimethylsiloxane wrinkles
eng
uncontrolled
wrinkled stamps
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/51434/zmnr1391.pdf
51683
2020
2020
eng
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5
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1
2020-05-04
2020-05-04
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Computational high throughput screening of inorganic cation based halide perovskites for perovskite only tandem solar cells
We search for homovalent alternatives for A, B, and X-ions in ABX(3) type inorganic halide perovskites suitable for tandem solar cell applications. We replace the conventional A-site organic cation CH3NH3, by 3 inorganic cations, Cs, K, and Rb, and the B site consists of metals; Cd, Hg, Ge, Pb, and Sn This work is built on our previous high throughput screening of hybrid perovskite materials (Kar et al 2018 J. Chem. Phys. 149, 214701). By performing a systematic screening study using Density Functional Theory (DFT) methods, we found 11 suitable candidates; 2 Cs-based, 3 K-based and 6 Rb-based that are suitable for tandem solar cell applications.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
10.25932/publishup-51683
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-516831
1866-8372
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<a href="http://publishup.uni-potsdam.de/58572">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
Mater. Res. Express 7 055502, https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab8c0d
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CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Manaswita Kar
Thomas Körzdörfer
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1438
eng
uncontrolled
inorganic perovskites
eng
uncontrolled
tandem solar cells
eng
uncontrolled
density functional theory
Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/51683/zmnr1438.pdf
51549
2020
2020
eng
9
4
postprint
1
2020-01-13
2020-01-13
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Polymeric sheet actuators with programmable bioinstructivity
Stem cells are capable of sensing and processing environmental inputs, converting this information to output a specific cell lineage through signaling cascades. Despite the combinatorial nature of mechanical, thermal, and biochemical signals, these stimuli have typically been decoupled and applied independently, requiring continuous regulation by controlling units. We employ a programmable polymer actuator sheet to autonomously synchronize thermal and mechanical signals applied to mesenchymal stem cells (MSC5). Using a grid on its underside, the shape change of polymer sheet, as well as cell morphology, calcium (Ca2+) influx, and focal adhesion assembly, could be visualized and quantified. This paper gives compelling evidence that the temperature sensing and mechanosensing of MSC5 are interconnected via intracellular Ca2+. Up-regulated Ca2+ levels lead to a remarkable alteration of histone H3K9 acetylation and activation of osteogenic related genes. The interplay of physical, thermal, and biochemical signaling was utilized to accelerate the cell differentiation toward osteogenic lineage. The approach of programmable bioinstructivity provides a fundamental principle for functional biomaterials exhibiting multifaceted stimuli on differentiation programs. Technological impact is expected in the tissue engineering of periosteum for treating bone defects.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
10.25932/publishup-51549
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-515490
1866-8372
31932451
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<a href="http://publishup.uni-potsdam.de/61678">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
Proceedings of the National Academy of Sciences, 117, 4, 1895-1901, 2020, https://doi.org/10.1073/pnas.1910668117
Version of Record
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CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Zijun Deng
Weiwei Wang
Xun Xua
Oliver E. C. Gould
Karl Kratz
Nan Ma
Andreas Lendlein
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1441
eng
uncontrolled
reversible shape-memory actuator
eng
uncontrolled
mesenchymal stem cells
eng
uncontrolled
calcium influx
eng
uncontrolled
HDAC1
eng
uncontrolled
RUNX2
Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
Naturwissenschaften und Mathematik
Biowissenschaften; Biologie
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/51549/zmnr1441.pdf
62682
2024
2024
eng
XIX, 145
doctoralthesis
1
--
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2024-01-30
New zwitterionic polymers for antifouling applications
Neue zwitterionische Polymere für Antifouling-Anwendungen
The remarkable antifouling properties of zwitterionic polymers in controlled environments are often counteracted by their delicate mechanical stability. In order to improve the mechanical stabilities of zwitterionic hydrogels, the effect of increased crosslinker densities was thus explored. In a first approach, terpolymers of zwitterionic monomer 3-[N -2(methacryloyloxy)ethyl-N,N-dimethyl]ammonio propane-1-sulfonate (SPE), hydrophobic monomer butyl methacrylate (BMA), and photo-crosslinker 2-(4-benzoylphenoxy)ethyl methacrylate (BPEMA) were synthesized. Thin hydrogel coatings of the copolymers were then produced and photo-crosslinked. Studies of the swollen hydrogel films showed that not only the mechanical stability but also, unexpectedly, the antifouling properties were improved by the presence of hydrophobic BMA units in the terpolymers.
Based on the positive results shown by the amphiphilic terpolymers and in order to further test the impact that hydrophobicity has on both the antifouling properties of zwitterionic hydrogels and on their mechanical stability, a new amphiphilic zwitterionic methacrylic monomer, 3-((2-(methacryloyloxy)hexyl)dimethylammonio)propane-1-sulfonate (M1), was synthesized in good yields in a multistep synthesis. Homopolymers of M1 were obtained by free-radical polymerization. Similarly, terpolymers of M1, zwitterionic monomer SPE, and photo-crosslinker BPEMA were synthesized by free-radical copolymerization and thoroughly characterized, including its solubilities in selected solvents.
Also, a new family of vinyl amide zwitterionic monomomers, namely 3-(dimethyl(2-(N -vinylacetamido)ethyl)ammonio)propane-1-sulfonate (M2), 4-(dimethyl(2-(N-vinylacetamido)ethyl)ammonio)butane-1-sulfonate (M3), and 3-(dimethyl(2-(N-vinylacetamido)ethyl)ammonio)propyl sulfate (M4), together with the new photo-crosslinker 4-benzoyl-N-vinylbenzamide (M5) that is well-suited for copolymerization with vinylamides, are introduced within the scope of the present work. The monomers are synthesized with good yields developing a multistep synthesis. Homopolymers of the new vinyl amide zwitterionic monomers are obtained by free-radical polymerization and thoroughly characterized. From the solubility tests, it is remarkable that the homopolymers produced are fully soluble in water, evidence of their high hydrophilicity. Copolymerization of the vinyl amide zwitterionic monomers, M2, M3, and M4 with the vinyl amide photo-crosslinker M5 proved to require very specific polymerization conditions. Nevertheless, copolymers were successfully obtained by free-radical copolymerization under appropriate conditions.
Moreover, in an attempt to mitigate the intrinsic hydrophobicity introduced in the copolymers by the photo-crosslinkers, and based on the proven affinity of quaternized diallylamines to copolymerize with vinyl amides, a new quaternized diallylamine sulfobetaine photo-crosslinker 3-(diallyl(2-(4-benzoylphenoxy)ethyl)ammonio)propane-1-sulfonate (M6) is synthesized. However, despite a priori promising copolymerization suitability, copolymerization with the vinyl amide zwitterionic monomers could not be achieved.
Die hervorragenden Antifouling-Eigenschaften zwitterionischer Polymere in kontrollierten Bedingungen werden häufig durch ihre geringe mechanische Stabilität beeinträchtigt. Um die mechanische Eigenschaften zwitterionischer Hydrogele zu verbessern, wurde daher der Effekt einer erhöhten Vernetzungsdichte untersucht. In einem ersten Ansatz wurden Terpolymere aus dem zwitterionischen Monomer 3-[N -2(Methacryloyloxy)ethyl-N,N-dimethyl]ammonio propan-1-sulfonat (SPE), dem hydrophoben Monomer Butylmethacrylat (BMA) und dem Photovernetzer 2-(4-Benzoylphenoxy)ethylmethacrylat (BPEMA) synthetisiert. Daraufhin wurden dünne Beschichtungen der Copolymere hergestellt und photovernetzt. Die Untersuchung der gequollenen Hydrogelfilme zeigte, dass nicht nur die mechanischen Eigenschaften, sondern überraschenderweise auch die Antifouling-Eigenschaften der Hydrogele durch den Einbau von hydrophoben BMA-Einheiten in die Terpolymere verbessert wurden.
Aufgrund der positiven Ergebnisse der amphiphilen Terpolymere und um die Auswirkungen der Hydrophobie sowohl auf die Antifouling- als auch auf die mechanische Eigenschaften der zwitterionischen Hydrogele zu testen, wurde ein neues amphiphiles zwitterionisches Methacrylat, nämlich 3-((2-(Methacryloyloxy)hexyl)dimethylammonio)propan-1-sulfonat (M1), in guter Ausbeute synthetisiert. Homopolymere von M1 wurden durch radikalische Polymerisation erhalten. In ähnlicher Weise wurden Terpolymere aus M1, dem zwitterionischen Monomer SPE und dem Photovernetzer BPEMA durch radikalische Copolymerisation synthetisiert und gründlich charakterisiert, einschließlich ihrer Löslichkeiten in ausgewählten Lösungsmitteln.
Außerdem wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine neue Familie von zwitterionischen Vinylamidmonomeren, nämlich 3-(Dimethyl(2-(N-vinylacetamido)ethyl)ammonio)propan-1-sulfonat (M2), 4-(Dimethyl(2-(N -vinylacetamido)ethyl)ammonio)butan-1-sulfonat (M3) und 3-(Dimethyl(2-(N -vinylacetamido)ethyl)ammonio)propylsulfat (M4), zusammen mit einem geeigneten Vinylamid-Photovernetzer, nämlich 4-Benzoyl-N -vinylbenzamide (M5) entwickelt. Die Monomere wurden in einer Mehrstufen-Synthese mit guten Ausbeuten synthetisiert. Homopolymere der neuen zwitterionischen Vinylamidmonomere wurden durch radikalische Polymerisation erhalten und eingehend charakterisiert. Die Löslichkeitstests zeigen, dass die hergestellten Homopolymere bemerkenswerterweise vollständig in reinem Wasser löslich sind, was ihre hohe Hydrophilie beweist. Die Copolymerisation der zwitterionischen Vinylamidmonomere M2, M3 und M4 mit dem Vinylamid-Photovernetzer M5 erwies sich als schwierig. Die Copolymere lassen sich dennoch unter sehr spezifische Bedingungen durch radikalische Copolymerisation herstellen.
Des Weiteren, um die durch die Photovernetzer in die Copolymere eingebrachte inhärente Hydrophobie zu mindern und aufgrund ihrer nachgewiesenen Affinität zur Copolymerisation mit Vinylamiden, wurde ein neuer quaternisierter Diallylaminsulfobetain-Photovernetzer 3-(Diallyl(2-(4-benzoylphenoxy)ethyl)ammonio)propan-1-sulfonat (M6) synthetisiert. Trotz a priori vielversprechender Copolymerisationseignung konnte jedoch keine Copolymerisation mit den zwitterionischen Vinylamidmonomeren erreicht werden.
10.25932/publishup-62682
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-626820
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2024
VK 8007
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Alejandro Martínez Guajardo
eng
uncontrolled
antifouling
deu
uncontrolled
Antifouling
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uncontrolled
copolymers
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uncontrolled
Copolymere
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uncontrolled
hydrogels
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uncontrolled
Hydrogele
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uncontrolled
zwitterions
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uncontrolled
Zwitterionen
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uncontrolled
synthesis
deu
uncontrolled
Synthese
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/62682/martinez-guajardo_diss.pdf
61831
2023
2023
eng
ix, 133
doctoralthesis
1
--
--
2023-11-15
Interface design and characterization for stable inorganic perovskite solar cells
Grenzflächendesign und- charakterisierung für stabile anorganische Perowskit-Solarzellen
We live in an era driven by fossil fuels. The prevailing climate change suggests that we have to significantly reduce greenhouse gas emissions. The only way forward is to use renewable energy sources. Among those, solar energy is a clean, affordable, and sustainable source of energy. It has the potential to satisfy the world’s energy demand in the future. However, there is a need to develop new materials that can make solar energy usable. Photovoltaics (PV) are devices that convert photon energy into electrical energy. The most commonly used solar cells are based on crystalline silicon. However, the fabrication process for silicon solar cells is technologically difficult and costly. Solar cells based on lead halide perovskites (PSCs) have emerged as a new candidate for PV applications since 2009. To date, PSCs have achieved 26% power-conversion-efficiency (PCE) for its single junction, and 33.7% PCE for tandem junction devices. However, there is still room for improvement in overall performance. The main challenge for the commercialization of this technology is the stability of the solar cells under operational conditions. Inorganic perovskite CsPbI3 has attracted researchers’ interest due to its stability at elevated temperatures, however, inorganic perovskites also have associated challenges, e.g. phase stability, larger voltage loss compared to their organic-inorganic hybrid counterparts, and interface energy misalignment. The most efficient inorganic perovskite solar cell is stable for up to a few hundred hours while the most stable device in the field of inorganic PSCs reported so far is at 17% PCE. This suggests the need for improvement of the interfaces for enhanced open circuit voltage (VOC), and optimization of the energy alignment at the interfaces. This dissertation presents the study on interfaces between the perovskite layer and hole transport layer (HTL) for stable CsPbI3 solar cells.
The first part of the thesis presents an investigation of the CsPbI3 film annealing environment and its subsequent effects on the perovskite/HTL interface dynamics. Thin films annealed in dry air were compared with thin films annealed in ambient air. Synchrotron-based hard X-ray spectroscopy (HAXPES) measurements reveal that annealing in ambient air does not have an adverse effect; instead, those samples undergo surface band bending. This surface band modification induces changes in interface charge dynamics and, consequently, an improvement in charge extraction at the interfaces. Further, transient surface photovoltage (tr-SPV) simulations show that air-annealed samples exhibit fewer trap states compared to samples annealed in dry air. Finally, by annealing the CsPbI3 films in ambient air, a PCE of 19.8% and Voc of 1.23 V were achieved for an n-i-p structured device.
Interface engineering has emerged as a strategy to extract the charge and optimize the energy alignment in perovskite solar cells (PSCs). An interface with fewer trap states and energy band levels closer to the selective contact helps to attain improved efficiencies in PSCs. The second part of the thesis presents a design for the CsPbI3/HTM interface. In this work, an interface between CsPbI3 perovskite and its hole selective contact N2,N2,N2′,N2′,N7,N7,N7′,N7′-octakis(4-methoxyphenyl)-9,9′-spirobi[9H-fluorene]-2,2′,7,7′-tetramine(Spiro-OMeTAD), realized by trioctylphosphine oxide (TOPO), a dipole molecule is introduced. On top of a perovskite film well-passivated by n-octyl ammonium Iodide (OAI), it created an upward surface band-bending at the interface byTOPO that optimizes energy level alignment and enhances the extraction of holes from the perovskite layer to the hole transport material. Consequently, a Voc of 1.2 V and high-power conversion efficiency (PCE) of over 19% were achieved for inorganic CsPbI3 perovskite solar cells. In addition, the work also sheds light on the interfacial charge-selectivity and the long-term stability of CsPbI3 perovskite solar cells.
The third part of the thesis extends the previous studies to polymeric poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) as HTL. The CsPbI3/P3HT interface is critical due to high non-radiative recombination. This work presents a CsPbI3/P3HT interface modified with a long-chain alkyl halide molecule, n-hexyl trimethyl ammonium bromide (HTAB). This molecule largely passivates the CsPbI3 perovskite surface and improves the charge extraction across the interface. Consequently, a Voc of over 1.00 V and 14.2% PCE were achieved for CsPbI3 with P3HT as HTM.
Overall the results presented in this dissertation introduce and discuss methods to design and study the interfaces in CsPbI3-based solar cells. This study can pave the way for novel interface designs between CsPbI3 and HTM for charge extraction, efficiency and stability.
Wir leben in einem Zeitalter, das von fossilen Brennstoffen geprägt ist. Der fortschreitende Klimawandel erfordert eine merkliche Reduktion der Treibhausgasemissionen. Der einzige Weg hin zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft ist die Implementierung erneuerbarer Energiequellen. Solarenergie hat das Potential, den Energiebedarf der Welt langfristig auf saubere und kostengünstige Weise zu decken. Es müssen jedoch neue Materialien zur Marktreife entwickelt werden, die die Solarenergie nutzbar machen können. In der Photovoltaik (PV) wird Lichtenergie in elektrische Energie umwandelt, wobei die gängisten Solarzellen aus kristallinem Silizium bestehen. Die Herstellung von Silizium-Solarzellen ist jedoch technisch aufwending und kostspielig. Deshalb haben sich Solarzellen auf Basis von Bleihalogenid-Perowskiten (engl. perovskite solar cells, PSCs) seit 2009 als mögliche Alternative zur Siliziumtechnologie entwickelt. Bisweilen konnten Wirkungsgrade (engl. power conversion efficiency, PCE) von 26% in einem einzelnen Halbleiterübergang und von 33.7% in einem Tandemübergang erzielt werden. Diese Werte sind jedoch steigerbar und werden regelmäßig übertroffen. Die größte Herausfoderung für die Entwicklung dieser Technologie ist die Stabilität der Solarzellen unter Betriebsbedingungen. Der anorganische Perowskit CsPbI3 ist aufgrund seiner Stabilität bei hohen Temperaturen deshalb besonders interessant für die Forschung, obwohl das Material seine eigenen Herausforderungen birgt, wie zum Beispiel seine Phaseninstabilität, größere Leerlaufspannungsverluste im Vergleich zu seinen organisch-anorganisch-hybriden Analoga und Fehlaurichtung der Energiebänder an der Grenzfläche. Die Stabilität der effizientesten Solarzelle auf CsPbI3-Basis liegt bei einigen hundert Stunden, während die stabilste Solarzelle einen Wirkungsgrad von nunmehr 17% erzielt. Dies deutet auf die Notwendigkeit hin, die Grenzflächen zu den angrenzenden ladungsselektiven Kontakten zu verbessern – mit dem Ziel, die Leerlaufspannung (engl. open-circuit voltage, VOC) zu erhöhen und die Ausrichtung der Energiebänder an den Grenzflächen zu optimieren. Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung der Grenzflächen zwischen der Perowskitschicht und der Lochtransportschicht (engl. hole transport layer, HTL) für stabile CsPbI3-Solarzellen.
Im ersten Teil der Arbeit werden die Temperbedingungen für CsPbI3-Dünnfilme und ihre Auswirkungen auf die Ladungsträgerdynamik an der Perowskit/HTL-Grenzfläche untersucht. Dünnfilme, die in trockener Atmosphäre getempert wurden, wurden mit Dünnfilmen verglichen, die in Standardatmosphäre getempert wurden. Synchrotrongestützte Messungen der Photoelektronenspektroskopie mit harter Röntgenstrahlung (engl. hard X-ray photoelectron spectrpscopy, HAXPES) zeigen, dass das Tempern in Umgebungsluft keine nachteiligen Auswirkungen hat; stattdessen erfahren jene Proben eine Verbiegung der Energiebänder an der Oberfläche. Diese Modifikation der Oberflächenbänder führt zu Veränderungen in der Grenzflächenladungsdynamik und in der Folge zu einer Verbesserung der Ladungsträgerextraktion über die Grenzfläche. Darüber hinaus zeigen Simulationen der transienten Oberflächenphotospannung (engl. transient surface photovoltage, trSPV), dass luftgetemperte Proben im Vergleich zu trockengetemperten Proben weniger Fallenzustände aufweisen. Letztlich wurde durch das Tempern der CsPbI3-Filme in Umgebungsluft eine PCE von 19,8% und ein VOC von 1,23 V für eine Solarzelle in n-i-p-Architektur erreicht.
Die Manipulation der Grenzflächen ist eine Strategie, um die Extraktion von Ladungsträgern und die Ausrichtung der Energiebänder in PSCs zu kontrollieren. Eine Grenzfläche mit geringerer Dichte an Fallenzuständen sowie der Fähigkeit, das Energiebandniveau näher an das des selektiven Kontakts zu verschieben, trägt zur Verbesserung des Wirkungsgrads von PSCs bei. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Design für die CsPbI3/HTM-Grenzfläche vorgeschlagen. Dabei wird das Dipolmolekül Trioctylphosphinoxid (TOPO) an der Grenzfläche zwischen CsPbI3-Perowskit und dem lochselektiven Kontakt N2, N2, N2′, N2′, N7, N7, N7′, N7′-octakis(4-Methoxyphenyl) -9,9′-Spirobi[9H-Fluoren] -2,2′,7,7′-Tetramin (spiro-OMeTAD) eingeführt. Auf einem mit n-Octylammoniumiodid (OAI) passivierten Perowskitfilm erzeugt TOPO eine nach oben gerichtete Oberflächenbandverkrümmung, die die Ausrichtung der Energieniveaus optimiert und die Extraktion von Löchern aus CsPbI3 in den HTL verbessert. Infolgedessen wurden in den hergestellten Solarzellen ein VOC von 1,2 V und eine PCE von über 19% erzielt. Darüber hinaus nimmt die Arbeit auch die Ladungsträgerselektivität an der Grenzfläche und die Langzeitstabilität von CsPbI3-Perowskit-Solarzellen in den Fokus.
Der dritte Teil der Arbeit erweitert die bisherigen Untersuchungen auf das Polymer Poly-(3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) als HTL. Die CsPbI3/P3HT-Grenzfläche ist aufgrund der hohen nicht-radiativen Rekombination kritisch. In dieser Arbeit wird eine CsPbI3/P3HT-Grenzfläche vorgestellt, die mit einem langkettigen Alkylhalogenidmolekül, n-Hexyltrimethylammoniumbromid (HTAB), modifiziert wurde. Dieses Molekül passiviert die CsPbI3-Perowskit-Oberfläche weitgehend und verbessert die Ladungsträgerextraktion an der Grenzfläche. Für CsPbI3 mit P3HT als HTM konnte ein VOC von über 1,00 V und 14,2% PCE erreicht werden.
Insgesamt werden in dieser Dissertation Methoden zur Entwicklung und Untersuchung von Grenzflächen für Solarzellen auf CsPbI3-Basis vorgestellt und diskutiert. Diese Studie kann Wege für neuartiges Grenzflächendesign zwischen CsPbI3 und HTM im Hinblick auf Ladungsträgerextraktion, Effizienz und Stabilität eröffnen.
inorganic perovskite solar cells
10.25932/publishup-61831
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-618315
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VE 7007, VE 9677
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Zafar Iqbal
eng
uncontrolled
CsPbI3
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uncontrolled
interfaces
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uncontrolled
perovskite solar cells
deu
uncontrolled
CsPbI3
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uncontrolled
Grenzflächen
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uncontrolled
Perowskit-Solarzellen
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/61831/iqbal_diss.pdf
62258
2024
2024
eng
xi, 153
doctoralthesis
1
--
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2024-01-15
Covalent anode materials for high-energy sodium-ion batteries
Kovalente Anodenmaterialien für hoch-energetische Natrium-Ionen-Batterien
The reliance on fossil fuels has resulted in an abnormal increase in the concentration of greenhouse gases, contributing to the global climate crisis. In response, a rapid transition to renewable energy sources has begun, particularly lithium-ion batteries, playing a crucial role in the green energy transformation. However, concerns regarding the availability and geopolitical implications of lithium have prompted the exploration of alternative rechargeable battery systems, such as sodium-ion batteries. Sodium is significantly abundant and more homogeneously distributed in the crust and seawater, making it easier and less expensive to extract than lithium. However, because of the mysterious nature of its components, sodium-ion batteries are not yet sufficiently advanced to take the place of lithium-ion batteries. Specifically, sodium exhibits a more metallic character and a larger ionic radius, resulting in a different ion storage mechanism utilized in lithium-ion batteries. Innovations in synthetic methods, post-treatments, and interface engineering clearly demonstrate the significance of developing high-performance carbonaceous anode materials for sodium-ion batteries. The objective of this dissertation is to present a systematic approach for fabricating efficient, high-performance, and sustainable carbonaceous anode materials for sodium-ion batteries. This will involve a comprehensive investigation of different chemical environments and post-modification techniques as well.
This dissertation focuses on three main objectives. Firstly, it explores the significance of post-synthetic methods in designing interfaces. A conformal carbon nitride coating is deposited through chemical vapor deposition on a carbon electrode as an artificial solid-electrolyte interface layer, resulting in improved electrochemical performance. The interaction between the carbon nitride artificial interface and the carbon electrode enhances initial Coulombic efficiency, rate performance, and total capacity. Secondly, a novel process for preparing sulfur-rich carbon as a high-performing anode material for sodium-ion batteries is presented. The method involves using an oligo-3,4-ethylenedioxythiophene precursor for high sulfur content hard carbon anode to investigate the sulfur heteroatom effect on the electrochemical sodium storage mechanism. By optimizing the condensation temperature, a significant transformation in the materials’ nanostructure is achieved, leading to improved electrochemical performance. The use of in-operando small-angle X-ray scattering provides valuable insights into the interaction between micropores and sodium ions during the electrochemical processes. Lastly, the development of high-capacity hard carbon, derived from 5-hydroxymethyl furfural, is examined. This carbon material exhibits exceptional performance at both low and high current densities. Extensive electrochemical and physicochemical characterizations shed light on the sodium storage mechanism concerning the chemical environment, establishing the material’s stability and potential applications in sodium-ion batteries.
Die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen hat zu einem abnormalen Anstieg von Treibhausgasen in der Atmosphäre geführt, was zur globalen Klimakrise beiträgt. Als Reaktion darauf hat eine rasche Umstellung auf erneuerbare Energiequellen begonnen, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, die eine entscheidende Rolle in der grünen Energiewende spielen. Bedenken hinsichtlich der Verfügbarkeit und geopolitischen Implikationen von Lithium haben jedoch die Erforschung alternativer wiederaufladbarer Batteriesysteme wie Natrium-Ionen-Batterien angeregt. Natrium ist in der Erdkruste und im Meerwasser deutlich häufiger und gleichmäßiger verteilt, was seine Extraktion im Vergleich zu Lithium einfacher und kostengünstiger macht. Aufgrund der geheimnisvollen Natur ihrer Komponenten sind Natrium-Ionen-Batterien derzeit noch nicht ausreichend fortgeschritten, um Lithium-Ionen-Batterien zu ersetzen. Insbesondere weist Natrium einen stärker metallischen Charakter und einen größeren Ionenradius auf, was zu einem anderen Ionen-Speichermechanismus führt, der in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Innovationen in synthetischen, post-synthetischen Methoden und Schnittstellentechnik zeigen deutlich die Bedeutung der Entwicklung hochleistungsfähiger kohlenstoffhaltiger Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien auf. Das Ziel dieser Dissertation ist es, einen systematischen Ansatz zur Herstellung effizienter, leistungsstarker und nachhaltiger kohlenstoffhaltiger Anodenmaterialien für Natrium-Ionen-Batterien zu untersuchen.
Diese Dissertation konzentriert sich auf drei Hauptziele. Erstens untersucht sie die Bedeutung von post-synthetischen Methoden bei der Gestaltung von Schnittstellen. Eine konforme Kohlenstoffnitrid-Beschichtung wird durch chemische Gasphasenabscheidung auf einer Kohlenstoffelektrode als künstliche Festelektrolytschnittstelle abgeschieden, was zu einer verbesserten elektrochemischen Leistung führt. Die Wechselwirkung zwischen der künstlichen Kohlenstoffnitrid-Schnittstelle und der Kohlenstoffelektrode trägt zu einer verbesserten anfänglichen kolumbischen Effizienz, Leistung bei hohen Raten und Gesamtkapazität bei. Zweitens wird ein neuartiger Prozess zur Herstellung von schwefelreichem Kohlenstoff als hochleistungsfähiges Anodenmaterial für Natrium-Ionen-Batterien vorgestellt. Die Methode verwendet einen Oligo-3,4-ethylendioxythiophen-Vorläufer für eine harte Kohlenstoffanode mit hohem Schwefelgehalt, um den Effekt des Schwefelheteroatoms auf den elektrochemischen Natriumspeichermechanismus zu untersuchen. Durch Optimierung der Kondensationstemperatur wird eine bedeutende Transformation in der Nanostruktur des Materials erreicht, was zu einer verbesserten elektrochemischen Leistung führt. Der Einsatz von in-operando-Röntgenkleinwinkelstreuung liefert wertvolle Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Mikroporen und Natriumionen während der elektrochemischen Prozesse. Letzendlich wird die Entwicklung einer hochkapazitiven harten Kohlenstoffanode, die aus 5-Hydroxymethylfurfural gewonnen wird, untersucht. Dieses Kohlenstoffmaterial zeigt eine außergewöhnliche Leistung sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Stromdichten.
10.25932/publishup-62258
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622585
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2024
VN 6057, VK 8507
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Enis Oğuzhan Eren
eng
uncontrolled
sodium-ion battery
eng
uncontrolled
sulfur
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uncontrolled
carbon
eng
uncontrolled
CN
eng
uncontrolled
anode
eng
uncontrolled
in-operando SAXS
deu
uncontrolled
Kohlenstoffnitrid (CN)
deu
uncontrolled
Anode
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uncontrolled
Kohlenstoff
deu
uncontrolled
in-operando SAXS
deu
uncontrolled
Natrium-Ionen-Batterie
deu
uncontrolled
Schwefel
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/62258/eren_diss.pdf
61944
2023
2023
2023
eng
xi, 116
doctoralthesis
1
--
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2023-12-01
Optical spectroscopy on lanthanide-modified nanomaterials for performance monitoring
Optische Spektroskopie an Lanthanid-modifizierten Nanomaterialien zur Leistungsüberwachung
Lanthanide based ceria nanomaterials are important practical materials due to their redox properties that are useful in technology and life sciences. This PhD thesis examined various properties and potential for catalytic and bio-applications of Ln3+-doped ceria nanomaterials. Ce1-xGdxO2-y: Eu3+, gadolinium doped ceria (GDC) (0 ≤ x ≤ 0.4) nanoparticles were synthesized by flame spray pyrolysis (FSP) and studied, followed by 15 % CexZr1-xO2-y: Eu3+|YSZ (0 ≤ x ≤ 1) nanocomposites. Furthermore, Ce1-xYb xO2-y (0.004 ≤ x ≤ 0.22) nanoparticles were synthesized by thermal decomposition and characterized. Finally, CeO2-y: Eu3+ nanoparticles were synthesized by a microemulsion method, biofunctionalized and characterized. The studies undertaken presents a novel approach to structurally elucidate ceria-based nanomaterials by way of Eu3+ and Yb3+ spectroscopy and processing the spectroscopic data with the multi-way decomposition method PARAFAC. Data sets of the three variables: excitation wavelength, emission wavelength and time were used to perform the deconvolution of spectra.
GDC nanoparticles from FSP are nano-sized and of roughly cubic shape and crystal structure (Fm3̅m). Raman data revealed four vibrational modes exhibited by Gd3+ containing samples whereas CeO2-y: Eu3+ displays only two. The room temperature, time-resolved emission spectra recorded at λexcitation = 464 nm show that Gd3+ doping results in significantly altered emission spectra compared to pure ceria. The PARAFAC analysis for the pure ceria samples reveals two species; a high-symmetry species and a low-symmetry species. The GDC samples yield two low-symmetry spectra in the same experiment. High-resolution emission spectra recorded at 4 K after probing the 5D0-7F0 transition revealed additional variation in the low symmetry Eu3+ sites in pure ceria and GDC. The data of the Gd3+-containing samples indicates that the average charge density around the Eu3+ ions in the lattice is inversely related to Gd3+ and oxygen vacancy concentration.
The particle crystallites of the 773 K and 1273 K annealed Yb3+ -ceria nanostructure materials are nano-sized and have a cubic fluorite structure with four Raman vibrational modes. Elemental maps clearly show that cluster formation occurs for 773 K annealed with high Yb3+ ion concentration from 15 mol % in the ceria lattice. These clusters are destroyed with annealing to 1273 K. The emission spectra observed from room temperature and 4 K measurements for the Ce1-xYb xO2-y samples have a manifold that corresponds to the 2F5/2-2F7/2 transition of Yb3+ ions. Some small shifts are observed in the Stark splitting pattern and are induced by the variations of the crystal field influenced by where the Yb3+ ions are located in the crystal lattices in the samples. Upon mixing ceria with high Yb3+ concentrations, the 2F5/2-2F7/2 transition is also observed in the Stark splitting pattern, but the spectra consist of two broad high background dominated peaks. Annealing the nanomaterials at 1273 K for 2 h changes the spectral signature as new peaks emerge. The deconvolution yielded luminescence decay kinetics as well as the accompanying luminescence spectra of three species for each of the low Yb3+ doped ceria samples annealed at 773 K and one species for the 1273 K annealed samples. However, the ceria samples with high Yb3+ concentration annealed at the two temperatures yielded one species with lower decay times as compared to the Yb3+ doped ceria samples after PARAFAC analysis.
Through the calcination of the nanocomposites at two high temperatures, the evolution of the emission patterns from specific Eu3+ lattice sites to indicate structural changes for the nanocomposites was followed. The spectroscopy results effectively complemented the data obtained from the conventional techniques. Annealing the samples at 773 K, resulted in amorphous, unordered domains whereas the TLS of the 1273 K nanocomposites reveal two distinct sites, with most red shifted Eu3+ species coming from pure Eu3+ doped ZrO2 on the YSZ support.
Finally, for Eu3+ doped ceria, successful transfer from hydrophobic to water phase and subsequent biocompatibility was achieved using ssDNA. PARAFAC analysis for the Eu3+ in nanoparticles dispersed in toluene and water revealed one Eu3+ species, with slightly differing surface properties for the nanoparticles as far as the luminescence kinetics and solvent environments were concerned. Several functionalized nanoparticles conjugated onto origami triangles after hybridization were visualized by atomic force microscopy (AFM). Putting all into consideration, Eu3+ and Yb3+ spectroscopy was used to monitor the structural changes and determining the feasibility of the nanoparticle transfer into water. PARAFAC proves to be a powerful tool to analyze lanthanide spectra in crystalline solid materials and in solutions, which are characterized by numerous Stark transitions and where measurements usually yield a superposition of different emission contributions to any given spectrum.
Ceroxid-Nanomaterialien auf Lanthanidbasis sind aufgrund ihrer Redox-Eigenschaften wichtige praktische Materialien, die in der Technik und den Biowissenschaften von Nutzen sind. In dieser Dissertation wurden verschiedene Eigenschaften und das Potenzial für katalytische und biologische Anwendungen von Ln3+-dotierten Ceroxid-Nanomaterialien untersucht. Ce1-xGdxO2-y:Eu3+, gadoliniumdotierte Ceroxid (GDC) (0.0 ≤ x ≤ 0.4) Nanopartikel wurden durch Flammenspray-Pyrolyse (FSP) synthetisiert und untersucht, gefolgt von 15 % CexZr1-xO2-y:Eu3+|YSZ (0 ≤ x ≤ 1) Nanokompositen. Außerdem wurden Ce1-xYbxO2-y (0.004 ≤ x ≤ 0.22) Nanopartikel durch thermische Zersetzung synthetisiert und charakterisiert. Schließlich wurden CeO2-y:Eu3+-Nanopartikel durch eine Mikroemulsionsmethode synthetisiert, biofunktionalisiert und charakterisiert. In den durchgeführten Studien wird ein neuartiger Ansatz zur Strukturaufklärung von Nanomaterialien auf Ceroxidbasis mittels Eu3+- und Yb3+-Spektroskopie und Verarbeitung der spektroskopischen Daten mit der Zerlegungsmethode PARAFAC vorgestellt. Für die Entfaltung der Spektren wurden Datensätze mit den drei Variablen Anregungswellenlänge, Emissionswellenlänge und Zeit verwendet.
GDC-Partikel aus FSP sind Nanometer groß und besitzen eine grob kubische Form und Kristallstruktur (Fm3̅m). Raman-Daten zeigten vier Schwingungsmoden bei Gd3+-haltigen Proben, während CeO2-y:Eu3+ nur zwei aufweist. Die bei Raumtemperatur aufgezeichneten zeitaufgelösten Emissionsspektren bei λAnregung = 464 nm zeigen, dass die Gd3+-Dotierung im Vergleich zu reinem Ceroxid zu deutlich veränderten Emissionsspektren führt. Die PARAFAC-Analyse für die reinen Ceroxidproben zeigt zwei Spezies: eine hochsymmetrische Spezies und eine niedrigsymmetrische Spezies. Die GDC-Proben liefern im selben Experiment zwei niedrigsymmetrische Species. Hochauflösende Emissionsspektren, die bei 4 K nach der Untersuchung des 5D0-7F0-Übergangs aufgezeichnet wurden, ergaben zusätzliche Variationen bei den niedrigsymmetrischen Eu3+-Stellen in reinem Ceroxid und GDC. Die Daten der Gd3+-haltigen Proben deuten darauf hin, dass die durchschnittliche Ladungsdichte um die Eu3+-Ionen im Gitter in umgekehrter Beziehung zur Gd3+- und Sauerstoffleerstellen-Konzentration steht.
Die Partikelkristallite der bei 773 K und 1273 K geglühten Yb3+-Ceroxid-Nanostrukturen sind nanoskalig und haben eine kubische Fluoritstruktur mit vier Raman-Schwingungsmoden. Elementverteilungen zeigen deutlich, dass sich bei 773 K, geglüht mit einer hohen Yb3+-Ionenkonzentration ab 15 Mol-% im Ceroxidgitter, Cluster bilden. Diese Cluster werden beim Glühen auf 1273 K zerstört. Die Emissionsspektren, die bei Messungen bei Raumtemperatur und 4 K für die Ce1-xYbxO2-y-Proben beobachtet wurden, weisen vielfältige Banden auf, die dem 2F5/2-2F7/2-Übergang der Yb3+-Ionen entspricht. Es werden einige kleine Verschiebungen im Stark-Aufspaltungsmuster beobachtet, die durch die Variationen des Kristallfeldes verursacht werden, in Abhängigkeit der Positionen der Yb3+-Ionen in den Kristallgittern. Beim Mischen von Ceroxid mit hohen Yb3+-Konzentrationen wird der 2F5/2-2F7/2-Übergang auch im Stark-Aufspaltungsmuster beobachtet, aber die Spektren bestehen aus zwei breiten, vom Hintergrund dominierten Peaks. Das Ausglühen der Nanomaterialien bei 1273 K für 2 Stunden verändert die spektrale Signatur, da neue Emissionsbanden entstehen. Die Entfaltung ergab die Lumineszenz-Abklingkinetik sowie die begleitenden Lumineszenzspektren von drei Spezies für jede der niedrig Yb3+-dotierten Ceroxidproben, die bei 773 K geglüht wurden, und eine Spezies für die bei 1273 K geglühten Proben. Die bei beiden Temperaturen geglühten Ceroxidproben mit hoher Yb3+-Konzentration ergaben jedoch eine Spezies mit geringeren Abklingzeiten als die Yb3+-dotierten Ceroxidproben nach der PARAFAC-Analyse.
Durch die Kalzinierung der Nanokomposite bei zwei hohen Temperaturen wurde die Entwicklung der Emissionsmuster von spezifischen Eu3+-Gitterplätzen verfolgt, die auf strukturelle Veränderungen der Nanokomposite hinweisen. Die Ergebnisse der Spektroskopie ergänzten die mit den konventionellen Techniken gewonnenen Daten. Das Ausglühen der Proben bei 773 K führte zu amorphen, ungeordneten Domänen, während die totalen Lumineszenzpektren der Nanokomposite bei 1273 K zwei unterschiedliche Stellen erkennen lassen, wobei die meisten rotverschobenen Eu3+-Spezies von reinem Eu3+-dotiertem ZrO2 auf dem YSZ-Träger stammen.
Schließlich wurde für Eu3+-dotiertes Ceroxid ein erfolgreicher Transfer von der hydrophoben in die Wasserphase und eine anschließende Biokompatibilität mit ssDNA erreicht. Die PARAFAC-Analyse für Eu3+ in Nanopartikeln, die in Toluol und Wasser dispergiert wurden, ergab eine Eu3+-Spezies mit leicht unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel, was die Lumineszenzkinetik und die Lösungsmittelumgebung betraf. Mehrere funktionalisierte Nanopartikel, die nach der Hybridisierung auf Origami-Dreiecken konjugiert waren, wurden mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) sichtbar gemacht. Die Eu3+- und Yb3+-Spektroskopie wurde eingesetzt, um die strukturellen Veränderungen zu überwachen und die Möglichkeit des Transfers der Nanopartikel in Wasser zu bestimmen. PARAFAC erweist sich als ein leistungsfähiges Instrument zur Analyse von Lanthanidenspektren in kristallinen Feststoffen und in Lösungen, die durch zahlreiche Stark-Übergänge gekennzeichnet sind und bei denen Messungen in der Regel eine Überlagerung verschiedener Emissionsbeiträge zu einem bestimmten Spektrum ergeben.
10.25932/publishup-61944
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-619443
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Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VE 5070, VE 8607, VE 9857
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Sitshengisiwe Chemura
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uncontrolled
cerium oxide
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uncontrolled
europium
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uncontrolled
luminescence
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uncontrolled
PARAFAC
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uncontrolled
ytterbium
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uncontrolled
species
deu
uncontrolled
Ceroxid
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uncontrolled
Lumineszenz
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uncontrolled
Nanokomposite
deu
uncontrolled
Spezies
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/61944/chemura_diss.pdf
61710
2023
2023
eng
xvi, 88
doctoralthesis
1
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2023-11-06
Studies on nanoplastics for the preparation of reference materials
Untersuchungen an Nanoplastik für die Herstellung von Referenzmaterialien
The present work focuses on the preparation and characterisation of various nanoplastic reference material candidates. Nanoplastics are plastic particles in a size range of 1 − 1000 nm. The term has emerged in recent years as a distinction from the larger microplastic (1 − 1000 μm). Since the properties of the two plastic particles differ significantly due to their size, it is important to have nanoplastic reference material. This was produced for the polymer types polypropylene (PP) and polyethylene (PE) as well as poly(lactic acid) (PLA).
A top-down method was used to produce the nanoplastic for the polyolefins PP and PE (Section 3.1). The material was crushed in acetone using an Ultra-Turrax disperser and then transferred to water. This process produces reproducible results when repeated, making it suitable for the production of a reference material candidate. The resulting dispersions were investigated using dynamic and electrophoretic light scattering. The dispersion of PP particles gave a mean hydrodynamic diameter Dh = 180.5±5.8 nm with a PDI = 0.08±0.02 and a zeta potential ζ = −43.0 ± 2.0 mV. For the PE particles, a diameter Dh = 344.5 ± 34.6 nm, with a PDI = 0.39 ± 0.04 and a zeta potential of ζ = −40.0 ± 4.2 mV was measured. This means that both dispersions are nanoplastics, as the particles are < 1000 nm. Furthermore, the starting material of these polyolefin particles was mixed with a gold salt and thereby the nanoplastic production was repeated in order to obtain nanoplastic particles doped with gold, which should simplify the detection of the particles.
In addition to the top-down approach, a bottom-up method was chosen for the PLA (Section 3.2). Here, the polymer was first dissolved in THF and stabilised with a surfactant. Then water was added and THF evaporated, leaving an aqueous PLA dispersion. This experiment was also investigated using dynamic light scattering and, when repeated, yielded reproducible results, i. e. an average hydrodynamic diameter of Dh = 89.2 ± 3.0 nm. Since the mass concentration of PLA in the dispersion is known due to the production method, a Python notebook was tested for these samples to calculate the number and mass concentration of nano(plastic) particles using the MALS results. Similar to the plastic produced in Section 3.1, gold was also incorporated into the particle, which was achieved by adding a dispersion of gold clusters with a diameter of D = 1.15 nm in an ionic liquid (IL) in the production process. Here, the preparation of the gold clusters in the ionic liquid 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([Emim][DCA]) represented the first use of an IL both as a reducing agent for gold and as a solvent for the gold clusters. Two volumes of gold cluster dispersion were added during the PLA particle synthesis. The addition of the gold clusters leads to much larger particles. The nanoPLA with 0.8% Au has a diameter of Dh = 198.0 ± 10.8 nm and the nanoPLA with 4.9% Au has a diameter of Dh = 259.1 ± 23.7 nm. First investigations by TEM imaging show that the nanoPLA particles form hollow spheres when gold clusters are added. However, the mechanism leading to these structures remains unclear.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung verschiedener Nanoplastikreferenzmaterialkandidaten. Um Nanoplastik handelt es sich bei Plastikpartikeln in einem Größenbereich von 1 − 1000 nm. Der Begriff hat sich in den letzten Jahren als Abgrenzung zu dem größeren Mikroplastik (1 − 1000 μm) herausgebildet. Da sich die Eigenschaften der beiden Plastikpartikel auf Grund ihrer Größe deutlich unterscheiden, ist es wichtig, Nanoplastikreferenzmaterial zur Verfügung zu stellen. Dieses wurde für die Polymertypen Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) sowie Polymilchsäure (PLA) hergestellt.
Dabei wurde für die Polyolefine PP und PE eine top-down Methode für die Herstellung des Nanoplastiks angewandt (Abschnitt 3.1). Dazu wurde das Material mithilfe eines Ultra-Turrax Dispergiergeräts in Aceton zerkleinert und danach in Wasser überführt. Dieser Prozess führt bei Wiederholung zu ähnlichen Ergebnissen, was ihn passend für die Herstellung eines Referenzmaterialkandidaten macht. Die entstandenen Dispersionen wurden mit der dynamischen und elektrophoretischen Lichtstreuung untersucht. Die Dispersion von PP-Partikeln ergab einen mittleren hydrodynamischen Durchmesser Dh = 180.5 ± 5.8 nm mit einem PDI = 0.08 ± 0.02 und einem Zetapotential ζ = −43.0 ± 2.0 mV. Bei den PE-Partikeln wurde ein Durchmesser Dh = 344.5 ± 34.6 nm, mit einem PDI = 0.39 ± 0.04 und einem Zetapotential von ζ = −40.0 ± 4.2 mV gemessen. Damit handelt es sich bei beiden Dispersionen um Nanoplastik, da die Partikel < 1000 nm sind. Des Weiteren wurde das Ausgangsmaterial dieser Polyolefinpartikel mit einem Goldsalz versetzt und damit die Nanoplastikherstellung wiederholt, um mit Gold dotierte Nanoplastikpartikel zu erhalten, die die Detektion der Partikel vereinfachen sollen.
Neben dem Top-down Ansatz wurde für das PLA eine Bottom-up Methode gewählt (Abschnitt 3.2). Hierbei wurde das Polymer in THF zunächst gelöst und mit einem Tensid stabilisiert. Dann wurde Wasser hinzugegeben und das THF verdampft, sodass eine wässrige PLADispersion übrig blieb. Auch dieses Experiment wurde mithilfe der dynamischen Lichtstreuung untersucht und führte bei Wiederholung zu reproduzierbaren Ergebnissen von einem mittleren hydrodynamischen Durchmesser von Dh = 89.2 ± 3.0 nm. Da durch die Herstellungsweise die Massenkonzentration von PLA in der Dispersion bekannt ist, wurde für diese Proben ein Python Notebook getestet, das die Zahlen- und Massenkonzentration von Nano(plastik)partikeln mithilfe der MALS-Ergebnisse errechnen soll. Ähnlich wie für das in Abschnitt 3.1 hergestellte Plastik wurde auch hier Gold in den Partikel eingearbeitet, was durch die Zugabe einer Dispersion von Goldclustern mit einem Durchmesser von D = 1.15 nm in einer ionischen Flüssigkeit (IL) im Herstellungsprozess gelang. Dabei stellte die Herstellung der Goldcluster in der ionischen Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-dicyanamid ([Emim][DCA]) die erstmalige Verwendung einer IL sowohl als Reduktionsmittel für Gold als auch als Lösungsmittel für die Goldcluster dar. Während der Synthese der PLA-Partikel wurden zwei unterschiedliche Volumina der Goldcluster-Dispersion hinzugefügt. Die Zugabe von Goldclustern führt zu wesentlich größeren Partikeln. Das nanoPLA mit 0.8% Au hat einen Durchmesser von Dh = 198.0 ± 10.8 nm und das nanoPLA mit 4.9% Au hat einen Durchmesser von Dh = 259.1 ± 23.7 nm. Dabei zeigen erste Untersuchungen mittels TEM-Bildgebung, dass die nanoPLA-Partikel Hohlkugeln bilden, wenn Goldcluster hinzugefügt werden. Jedoch ist der Mechanismus, der zu diesen Strukturen führt, noch unklar.
10.25932/publishup-61710
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617102
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Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VN 5927, VE 9857, UV 2400
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Jana Hildebrandt
eng
uncontrolled
nanoplastic
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uncontrolled
Nanoplastik
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Rerenzmaterial
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uncontrolled
reference material
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polyolefin
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uncontrolled
Polyolefin
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uncontrolled
Polymilchsäure
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uncontrolled
Poly(lactic acid)
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/61710/hildebrandt_diss.pdf
61302
2023
2023
eng
137
doctoralthesis
1
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2023-11-01
Reactive eutectic media based on ammonium formate for the valorization of bio-sourced materials
Reaktive eutektische Medien auf Basis von Ammoniumformiat zur Aufwertung von biobasierten Substanzen
In the last several decades eutectic mixtures of different compositions were successfully used as solvents for vast amount of chemical processes, and only relatively recently they were discovered to be widely spread in nature. As such they are discussed as a third liquid media of the living cell, that is composed of common cell metabolites. Such media may also incorporate water as a eutectic component in order to regulate properties such as enzyme activity or viscosity. Taking inspiration form such sophisticated use of eutectic mixtures, this thesis will explore the use of reactive eutectic media (REM) for organic synthesis. Such unconventional media are characterized by the reactivity of their components, which means that mixture may assume the role of the solvent as well as the reactant itself.
The thesis focuses on novel REM based on ammonium formate and investigates their potential for the valorization of bio-sourced materials. The use of REM allows the performance of a number of solvent-free reactions, which entails the benefits of a superior atom and energy economy, higher yields and faster rates compared to reactions in solution. This is evident for the Maillard reaction between ammonium formate and various monosaccharides for the synthesis of substituted pyrazines as well as for a Leuckart type reaction between ammonium formate and levulinic acid for the synthesis of 5-methyl-2-pyrrolidone. Furthermore, reaction of ammonium formate with citric acid for the synthesis of yet undiscovered fluorophores, shows that synthesis in REM can open up unexpected reaction pathways.
Another focus of the thesis is the study of water as a third component in the REM. As a result, the concept of two different dilution regimes (tertiary REM and in REM in solvent) appears useful for understanding the influence of water. It is shown that small amounts of water can be of great benefit for the reaction, by reducing viscosity and at the same time increasing reaction yields.
REM based on ammonium formate and organic acids are employed for lignocellulosic biomass treatment. The thesis thereby introduces an alternative approach towards lignocellulosic biomass fractionation that promises a considerable process intensification by the simultaneous generation of cellulose and lignin as well as the production of value-added chemicals from REM components. The thesis investigates the generated cellulose and the pathway to nanocellulose generation and also includes the structural analysis of extracted lignin.
Finally, the thesis investigates the potential of microwave heating to run chemical reactions in REM and describes the synergy between these two approaches. Microwave heating for chemical reactions and the use of eutectic mixtures as alternative reaction media are two research fields that are often described in the scope of green chemistry. The thesis will therefore also contain a closer inspection of this terminology and its greater goal of sustainability.
Ein eutektisches System beschreibt eine homogene Mischung verschiedener Substanzen, welche bei einer einzigen Temperatur schmilzt und dabei einen Schmelzpunkt aufweist der unterhalb der Schmelzpunkte der einzelnen Komponenten liegt. Solche Gemische können aus simplen organischen Substanzen gebildet werden und haben deshalb in den letzten Jahrzehnten große Aufmerksamkeit als neuartige Lösungsmittel erhalten. Mittlerweile wird ihr Nutzung für eine Vielzahl chemischer Prozesse erforscht. Zudem wurde Entdeckt das solche Gemische auch in der Natur Verbreitung finden. In diesem Zuge werden sie z.B. als drittes flüssiges Medium der lebenden Zelle diskutiert, welches durch eutektische Gemische von gewöhnlichen Zellmetaboliten gebildet wird. Sie können dabei auch Wasser als eutektische Komponente enthalten, um Eigenschaften wie Enzymaktivität oder Viskosität zu regulieren. Inspiriert durch diesen raffinierten Einsatz eutektischer Gemische untersucht diese Arbeit die Verwendung reaktiver eutektischer Medien (REM) für die chemische Anwendung. Solche unkonventionellen Medien zeichnen sich durch die Reaktivität ihrer Komponenten aus, was bedeutet, dass das Gemisch sowohl die Rolle des Lösungsmittels als auch des Reaktanten selbst übernehmen kann.
Die Arbeit konzentriert sich auf neuartige REM auf Basis von Ammoniumformiat und untersucht deren Potenzial für die Nutzung von bio-basierten Substanzen. Die Verwendung von REM ermöglicht die Durchführung einer Reihe lösungsmittelfreier Reaktionen, was im Vergleich zu Reaktionen in Lösung die Vorteile einer besseren Atomökonomie, höhere Ausbeuten und schnellere Reaktionsgeschwindigkeiten mit sich bringt. Dies zeigt sich an der Maillard-Reaktion zwischen Ammoniumformiat und verschiedenen Monosacchariden zur Synthese substituierter Pyrazine sowie an der Leuckart-Reaktion zwischen Ammoniumformiat und Lävulinsäure zur Synthese von 5-Methyl-2-pyrrolidon. Darüber hinaus zeigt die Reaktion von Ammoniumformiat mit Zitronensäure zur Synthese noch unentdeckter Fluorophore, dass die Synthese in REM bisher unerschlossene Reaktionswege eröffnen kann.
Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Untersuchung von Wasser als dritte Komponente im REM. Daher erscheint das Konzept zweier unterschiedlicher Verdünnungsregime (tertiäres REM und REM im Lösungsmittel) nützlich für das Verständnis des Einflusses von Wasser. Es zeigt sich, dass kleine Mengen Wasser von großem Nutzen für die Reaktion sein können, indem sie die Viskosität senken und gleichzeitig die Reaktionsausbeuten erhöhen.
Für den Aufschluss von Lignocellulose werden REM auf Basis von Ammoniumformiat und organischen Säuren eingesetzt. Die Arbeit stellt damit einen neuen Ansatz für das Konzept der Bioraffinerie vor, der eine erhebliche Prozessintensivierung durch die gleichzeitige Erzeugung von Cellulose, Lignin sowie die Herstellung von Chemikalien aus REM-Komponenten verspricht. Die Arbeit untersucht die erzeugte Cellulose, sowie die Bedingungen zur Erzeugung von Nanocellulose und umfasst die Strukturanalyse von extrahiertem Lignin.
Abschließend untersucht die Arbeit das Potenzial der Mikrowellenenergie zum Erhitzen chemischer Reaktionen in REM und beschreibt die Synergie zwischen diesen beiden Ansätzen. Mikrowellentechnologie für chemische Reaktionen und die Verwendung eutektischer Gemische als alternative Reaktionsmedien sind zwei Forschungsfelder, die häufig im Rahmen der Grünen Chemie beschrieben werden. Die Arbeit beinhaltet daher auch eine genauere Betrachtung dieser Terminologie und ihres übergeordneten Ziels der Nachhaltigkeit.
10.25932/publishup-61302
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613024
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VN 9207, VN 9507
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Helen Schneider
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uncontrolled
solvent-free reactions
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uncontrolled
deep eutectic solvents
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uncontrolled
microwave synthesis
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uncontrolled
green chemistry
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uncontrolled
biorefinery
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uncontrolled
deoxyfructosazine
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uncontrolled
citrazinic acid
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uncontrolled
Bioraffinerie
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uncontrolled
Citrazinsäure
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uncontrolled
stark eutektisches Lösungsmittel
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uncontrolled
Deoxyfructosazin
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uncontrolled
Grüne Chemie
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uncontrolled
Mikrowellensynthese
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uncontrolled
lösungsmittelfreie Synthese
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Extern
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/61302/schneider_diss.pdf
61270
2023
2023
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VI, 185
doctoralthesis
1
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2023-10-27
Soft-template directed functional composite nanomaterials
Soft-template strategy enables the fabrication of composite nanomaterials with desired functionalities and structures. In this thesis, soft templates, including poly(ionic liquid) nanovesicles (PIL NVs), self-assembled polystyrene-b-poly(2-vinylpyridine) (PS-b-P2VP) particles, and glycopeptide (GP) biomolecules have been applied for the synthesis of versatile composite particles of PILs/Cu, molybdenum disulfide/carbon (MoS2/C), and GP-carbon nanotubes-metal (GP-CNTs-metal) composites, respectively. Subsequently, their possible applications as efficient catalysts in two representative reactions, i.e. CO2 electroreduction (CO2ER) and reduction of 4-nitrophenol (4-NP), have been studied, respectively.
In the first work, PIL NVs with a tunable particle size of 50 to 120 nm and a shell thickness of 15 to 60 nm have been prepared via one-step free radical polymerization. By increasing monomer concentration for polymerization, their nanoscopic morphology can evolve from hollow NVs to dense spheres, and finally to directional worms, in which a multi-lamellar packing of PIL chains occurred in all samples. The obtained PIL NVs with varied shell thickness have been in situ functionalized with ultra-small Cu nanoparticles (Cu NPs, 1-3 nm) and subsequently employed as the electrocatalysts for CO2ER. The hollow PILs/Cu composite catalysts exhibit a 2.5-fold enhancement in selectivity towards C1 products compared to the pristine Cu NPs. This enhancement is primarily attributed to the strong electronic interactions between the Cu NPs and the surface functionalities of PIL NVs. This study casts new aspects on using nanostructured PILs as novel electrocatalyst supports in efficient CO2 conversion.
In the second work, a novel approach towards fast degradation of 4-NP has been developed using porous MoS2/C particles as catalysts, which integrate the intrinsically catalytic property of MoS2 with its photothermal conversion capability. Various MoS2/C composite particles have been prepared using assembled PS-b-P2VP block copolymer particles as sacrificed soft templates. Intriguingly, the MoS2/C particles exhibit tailored morphologies including pomegranate-like, hollow, and open porous structures. Subsequently, the photothermal conversion performance of these featured particles has been compared under near infrared (NIR) light irradiation. When employing the open porous MoS2/C particles as the catalyst for the reduction of 4-NP, the reaction rate constant has increased by 1.5-fold under light illumination. This catalytic enhancement mainly results from the open porous architecture and photothermal conversion performance of the MoS2 particles. This proposed strategy offers new opportunities for efficient photothermal-assisted catalysis.
In the third work, a facile and green approach towards the fabrication of GP-CNTs-metal composites has been proposed, which utilizes a versatile GP biomolecule both as a stabilizer for CNTs in water and as a reducing agent for noble metal ions. The abundant hydrogen bonds in GP molecules bestow the formed GP-CNTs with excellent plasticity, enabling the availability of polymorphic CNTs species ranging from dispersion to viscous paste, gel, and even dough by increasing their concentration. The GP molecules can reduce metal precursors at room temperature without additional reducing agents, enabling the in situ immobilization of metal NPs (e.g. Au, Ag, and Pd) on the CNTs surface. The combination of excellent catalytic property of Pd NPs with photothermal conversion capability of CNTs makes the GP-CNTs-Pd composite a promising catalyst for the efficient degradation of 4-NP. The obtained composite displays a 1.6-fold increase in conversion under NIR light illumination in the reduction of 4-NP, mainly owing to the strong light-to-heat conversion effect of CNTs. Overall, the proposed method opens a new avenue for the synthesis of CNTs composite as a sustainable and versatile catalyst platform.
The results presented in the current thesis demonstrate the significance of using soft templates for the synthesis of versatile composites with tailored nanostructure and functionalities. The investigation of these composite nanomaterials in the catalytic reactions reveals their potential in the development of desired catalysts for emerging catalytic processes, e.g. photothermal-assisted catalysis and electrocatalysis.
Die Weiche-Vorlagen-Strategie ermöglicht die Herstellung von zusammengesetzten Nanomaterialien mit gewünschten Funktionalitäten und Strukturen. In dieser Arbeit wurden weiche Vorlagen, darunter Poly(ionische Flüssigkeit) -Nanovesikeln (PIL-NVs), selbstorganisierte Polystyrol-b-Poly(2-Vinylpyridin)-Partikeln (PS-b-P2VP) und Glykopeptid (GP)-Biomoleküle verwendet, um vielseitige Kompositen aus PILs/Cu, Molybdändisulfid/Kohlenstoff (MoS2/C) bzw. GP-Kohlenstoffnanoröhren -Metall (GP- CNTs- Metall) zu synthetisieren. Anschließend wurden ihre möglichen Anwendungen als effiziente Katalysatoren in zwei repräsentativen Reaktionen, d. h. CO2-Elektroreduktion (CO2ER) und Reduktion von 4-Nitrophenol (4-NP), untersucht.
Im ersten Abschnitt wurden PIL-NVs mit einer einstellbaren Partikelgröße von 50 bis 120 nm und einer Schalendicke von 15 bis 60 nm durch einstufige radikalische Polymerisation hergestellt. Durch Erhöhung der Monomerkonzentration für die Polymerisation kann sich ihre nanoskopische Morphologie von hohlen NVs zu dichten Kugeln und schließlich zu gerichteten Schnecken entwickeln, wobei in allen Proben eine multilamellare Packung von PIL-Ketten auftritt. Die erhaltenen PIL-NVs mit unterschiedlicher Schalendicke wurden durch ultrakleinen Cu-Nanopartikeln (Cu-NPs, 1-3 nm) funktionalisiert und anschließend als Elektrokatalysatoren für CO 2ER eingesetzt. Die PILs/Cu-Komposit-Elektrokatalysatoren zeigen eine 2,5-fache Steigerung der Selektivität gegenüber C 1-Produkten im Vergleich zu den unbehandelten Cu-NPs. Diese Verbesserung wird in erster Linie auf die starken elektronischen Wechselwirkungen zwischen den Cu-NPs und den Oberflächenfunktionalitäten der PIL -NVs zurückgeführt. Diese Studie wirft neue Aspekte auf die Verwendung nanostrukturierter PILs als neuartige Elektrokatalysatorträger für eine effiziente CO2-Umwandlung.
Im zweiten Abschnitt wurde ein neuartiger Ansatz für den schnellen Abbau von 4 -NP entwickelt, bei dem poröse MoS 2/C-Partikeln als Katalysatoren verwendet werden, die die intrinsische katalytische Eigenschaft von MoS2 mit seiner photothermischen Umwandlungsfähigkeit verbinden. Verschiedene MoS2/C-Verbundpartikeln wurden unter Verwendung von zusammengesetzten PS-b-P2VP Blockcopolymerpartikeln als geopferte weiche Vorlagen hergestellt. Erstaunlicherweise weisen die MoS2/C-Partikeln maßgeschneiderte Morphologien auf, darunter eine granatapfe lartige, hohle und offenporige Struktur. Anschließend wurde die photothermische Umwandlungsleistung dieser Partikeln unter Bestrahlung von Nahinfrarotlicht (NIR) verglichen. Bei der Verwendung der offenporigen MoS2-Teilchen als Katalysator für die Reduktion von 4 -NP hat sich die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante unter Lichtbeleuchtung um das 1,5-fache erhöht. Diese katalytische Verbesserung ist hauptsächlich auf die offenporige Architektur und die photothermische Umwandlungsleistung der MoS2-Partikeln zurückzuführen. Diese vorgeschlagene Strategie bietet neue Möglichkeiten für eine effiziente photothermisch unterstützte Katalyse.
Im dritten Abschnitt wird ein einfacher und umweltfreundlicher Ansatz für die Herstellung von GP-CNTs-Metall-Verbundwerkstoffen vorgeschlagen, bei dem ein vielseitiges GP- Biomolekül sowohl als Stabilisator für CNTs in Wasser auch als Reduktionsmittel für Edelmetallionen eingesetzt wird. Die zahlreichen Wasserstoffbrüc kenbindungen in den GP- Moleküle verleihen den gebildeten GP-CNTs eine ausgezeichnete Plastizität, die es ermöglicht, polymorphe CNT - Spezies zu erhalten, die von einer Dispersion über eine visko se Paste und ein Gel bis hin zu einem Teig reichen, wenn man ihre Konzentration erhöht. Die GP -Moleküle können Metallvorläufer bei Raumtemperatur ohne zusätzliche Reduktionsmittel reduzieren und ermöglichen so die In -situ- Immobilisierung von Metall-NPs (z. B. Au, Ag und Pd) auf der Oberfläche der CNTs. Die Kombination der hervorragenden katalytischen Eigenschaften von Pd-NPs mit der photothermischen Umwandlungsfähigkeit von CNTs macht den GP -CNTs-Pd- Verbundstoff zu einem vielversprechenden Katalysator für d en effizienten Abbau von 4- NP. Das erhaltene Komposit zeigt eine 1,6-fache Steigerung der Umwandlung unter NIR- Licht- Beleuchtung, wenn es als Katalysator bei der Reduktion von 4-NP verwendet wird, was hauptsächlich auf den starken Licht -Wärme -Umwandlungseffekt der CNTs zurückzuführen ist. Insgesamt eröffnet die vorgeschlagene Methode einen neuen Weg für die Synthese von CNT-Verbundwerkstoffen als nachhaltige und vielseitige Katalysatorplattform.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen, wie wichtig die Verwendung weicher Templates für die Synthese vielseitiger Verbundwerkstoffe mit maßgeschneiderter Nanostruktur und Funktionalitäten ist. Die Untersuchung dieser Komposit -Nanomaterialien in katalytischen Reaktionen zeigt ihr Potenzial für die Entwicklung gewünschter Katalysatoren für neue katalytische Prozesse, z. B. für die Elektrokatalyse und die photothermisch unterstützte Katalyse.
10.25932/publishup-61270
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612709
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Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VE 9857, VK 8007
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Xuefeng Pan
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uncontrolled
nanocomposite
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uncontrolled
soft template
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block copolymer
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uncontrolled
poly(ionic liquid)
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uncontrolled
glycopeptide
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uncontrolled
catalyst
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uncontrolled
Nanokomposit
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uncontrolled
weiche Vorlage
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uncontrolled
Blockcopolymer
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uncontrolled
Poly(ionische Flüssigkeit)
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uncontrolled
Glykopeptid
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uncontrolled
Katalysator
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/61270/pan_diss.pdf
57180
2023
2023
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119
doctoralthesis
1
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2022-01-11
Water-in-oil microemulsions as soft-templates to mediate nanoparticle interfacial assembly into hybrid nanostructures
Wasser-in-Öl Mikroemulsionen als Soft-Templat für die Grenzfläche-Anordnung von Nanopartikeln in hybride Nanostrukturen
Microemulsiones de aceite-en-agua como estructuras templadas blandas para el ensamblaje de nanoparticulas en su interfase dando nanoestructuras híbridas
Hybrid nanomaterials offer the combination of individual properties of different types of nanoparticles. Some strategies for the development of new nanostructures in larger scale rely on the self-assembly of nanoparticles as a bottom-up approach. The use of templates provides ordered assemblies in defined patterns. In a typical soft-template, nanoparticles and other surface-active agents are incorporated into non-miscible liquids. The resulting self-organized dispersions will mediate nanoparticle interactions to control the subsequent self-assembly. Especially interactions between nanoparticles of very different dispersibility and functionality can be directed at a liquid-liquid interface.
In this project, water-in-oil microemulsions were formulated from quasi-ternary mixtures with Aerosol-OT as surfactant. Oleyl-capped superparamagnetic iron oxide and/or silver nanoparticles were incorporated in the continuous organic phase, while polyethyleneimine-stabilized gold nanoparticles were confined in the dispersed water droplets. Each type of nanoparticle can modulate the surfactant film and the inter-droplet interactions in diverse ways, and their combination causes synergistic effects. Interfacial assemblies of nanoparticles resulted after phase-separation. On one hand, from a biphasic Winsor type II system at low surfactant concentration, drop-casting of the upper phase afforded thin films of ordered nanoparticles in filament-like networks. Detailed characterization proved that this templated assembly over a surface is based on the controlled clustering of nanoparticles and the elongation of the microemulsion droplets. This process offers versatility to use different nanoparticle compositions by keeping the surface functionalization, in different solvents and over different surfaces. On the other hand, a magnetic heterocoagulate was formed at higher surfactant concentration, whose phase-transfer from oleic acid to water was possible with another auxiliary surfactant in ethanol-water mixture. When the original components were initially mixed under heating, defined oil-in-water, magnetic-responsive nanostructures were obtained, consisting on water-dispersible nanoparticle domains embedded by a matrix-shell of oil-dispersible nanoparticles.
Herein, two different approaches were demonstrated to form diverse hybrid nanostructures from reverse microemulsions as self-organized dispersions of the same components. This shows that microemulsions are versatile soft-templates not only for the synthesis of nanoparticles, but also for their self-assembly, which suggest new approaches towards the production of new sophisticated nanomaterials in larger scale.
Hybride Nanomaterialen ermöglichen die Kombination von individuellen Eigenschaften jeder Art von Nanopartikeln. Einige Strategien für die Herstellung neuer großskaliger Nanostrukturen beruhen auf der Selbstassemblierung von Nanopartikeln über einen Bottom-up-Ansatz. Die Nutzung von Templatstrukturen ermöglicht Anordnungen in definierten Mustern. In einem typischen Soft-Templat werden Nanopartikel und andere oberflächenaktive Wirkstoffe in nicht-mischbare Flüssigkeiten eingebracht. Die resultierenden selbst-organisierten Dispersionen beeinflussen die Nanopartikel Interaktionen und kontrollieren die nachfolgende Selbstassemblierung. Insbesondere Interaktionen zwischen Nanopartikeln mit sehr unterschiedlicher Dispergierbarkeit und Funktionalität können Interaktionen an einer Flüssig-Flüssig Grenzfläche gerichtet werden.
In diesem Forschungsprojekt wurden Wasser-in-Öl Mikroemulsionen aus quasi-ternären Mischungen mit Aerosol-OT als Tensid hergestellt. Oleyl-beschichtete superparamagnetische Eisenoxid und/oder Silber Nanopartikel wurden in der kontinuierlichen Ölphase eingebracht, während die Polyethyleneimin-stabilisierten Gold Nanopartikel in feinverteilte Wassertröpfchen inkorporiert wurden. Jede Sorte von Nanopartikeln kann den Tensidfilm und die Tröpfchen-Interaktionen auf verschiedene Weise beeinflussen, und seine Kombination führt dabei zu synergetischen Effekten. Die Anordnung von Nanopartikeln an der Grenzfläche basiert auf der Phasentrennung. Auf der einen Seite, bildeten sich aus einem zweiphasigen Winsor II System mit niedrigen Tensid Konzentrationen durch Evaporation der oberen Phase dünne Schichten aus geordneten Nanopartikeln in Form von Filament-Netzen aus. Eine detaillierte Charakterisierung zeigte, dass die Filament-artige Strukturierung auf ein kontrolliertes Nanopartikeln-Clustering und auf die Ausdehnung der Mikroemulsions-Tröpfchen zurückzuführen ist. Dieser Prozess eröffnet flexible Einsatzmöglichkeiten für unterschiedliche Nanopartikel Kompositionen, indem die Oberflächenfunktionalisierung in unterschiedlichen Lösungsmitteln erhalten bleibt, und auch für verschiedenen Lösungsmitteln und über verschiedene Flächen. Auf der anderen Seite wurde ein magnetisches Heterokoagulat in höheren Tensid Konzentration hergestellt, dessen Phasentransfer von Ölsäure in Wasser mit einem anderen zusätzlichen Tensid in einer Ethanol-Wasser Mischung ermöglicht wurde. In Abhängigkeit von der Ausgangstemperatur der initialen Komponenten konnten definierte magnetisch-stimulierbare Öl-in-Wasser Nanostrukturen erhaltet werden. Dabei gelang es Wasser-dispergierbare Nanopartikelkompartimente in eine Matrix-Hülle aus Öl-dispergierbaren Nanopartikeln einzubetten. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Wege aufgezeigt, um hybride Nanostrukturen aus inversen Mikroemulsionen selbst-organisiert herzustellen. Dies belegt, dass Mikroemulsions-Template nicht nur für die Nanopartikel Synthese geeignet sind, sondern auch für die Herstellung filamentartiger, selbstorganisierter Systeme. Es eröffnen sich hiermit neue Zugänge für die selbstorganisierte Strukturierung von Nanopartikeln auf der Mikrometerskala.
Los nanomateriales híbridos ofrecen la combinación de propiedades individuales de diferentes tipos de nanopartículas. Algunas estrategias para el desarrollo de nuevas nanoestructuras en mayor escala se basan en el auto-ensamblaje (self-assembly) de nanopartículas, como una estrategia “de abajo hacia arriba” (bottom-up). El uso de estructuras de plantilla (templates) proporciona ensamblajes ordenados de formas definidas. En una plantilla blanda típica, las nanopartículas y otros agentes de actividad superficial se incorporan en líquidos no miscibles. Esto da lugar a dispersiones auto-organizadas que mediarán las interacciones entre las nanopartículas, para controlar su auto-ensamblaje resultante. Especialmente las interacciones entre nanopartículas de dispersibilidad y funcionalidades muy diferentes pueden ser redirigidas a una interfase líquido-líquido.
En este proyecto se formularon microemulsiones de agua-en-aceite a partir de mezclas cuasi-ternarias con Aerosol-OT (docusato de sodio) como tensioactivo. Las nanopartículas cubiertas de ligandos oleicos, de óxido de hierro superparamagnéticas o de plata, se incorporaron en la fase orgánica continua, mientras que las nanopartículas de oro estabilizadas por polietilenimina fueron confinadas en las gotículas de agua dispersas. Cada tipo de nanopartícula puede modular de fomas muy diversas la capa de tensioactivo y las interacciones entre gotículas, y además su combinación resulta en efectos sinérgicos. Los ensamblajes interfase de nanopartículas se obtuvieron bajo procesos de separación entre fases. Por un lado, a partir de un sistema bifásico de Winsor del tipo II con baja concentración del tensioactivo, la deposición y evaporación de una gota sobre una superficie (drop-casting) de la fase superior proporcionó películas finas de nanopartículas ordenadas como redes de filamentos. Su caracterización detallada probó que este ensamblaje por plantilla sobre una superficie se basa en un agrupamiento (clustering) controlado entre nanopartículas y en la elongación de las gotículas de microemulsiones. Este proceso ofrece versatilidad para usar diferentes composiciones de nanopartículas siempre que su funcionalidad en su superficie se mantenga, además de poder usar diferentes disolventes y sobre diferentes superficies. Por otro lado, un heterocoagulado magnético se formó sobre concentraciones más altas del tensioactivo, y su transferencia de fase desde ácido oleico a agua fue posible usando otro tensioactivo auxiliar en una mezcla de agua y etanol. Cuando los componentes iniciales fueron mezclados al principio bajo calentamiento, se obtuvieron nanoestucturas definidas de aceite-en-agua que responden a un imán, las cuales consisten de dominios de nanopartículas dispersibles en agua que se rodean por un embalaje (matrix-shell) de nanopartículas dispersibles en fase oleosa.
De este modo, se demostraron dos propuestas para formar diversos tipos de nanoestructuras híbridas a partir de microemulsiones inversas como dispersiones auto-organizadas de unos mismos componentes. Esto demuestra que las microemulsiones constituyen estructuras de plantilla blandas no sólo para la síntesis de nanopartículas, sino también para su auto-ensamblaje, lo que sugiere novedosas estrategias para la producción de nuevos nanomateriales sofisticados en mayor escala.
10.25932/publishup-57180
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571801
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VE 7087, VE 8007, VE 9857
CC-BY-NC - Namensnennung, nicht kommerziell 4.0 International
Rebeca Fortes Martín
eng
uncontrolled
microemulsions
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uncontrolled
nanoparticles
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uncontrolled
surfactants
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uncontrolled
Colloid Chemistry
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uncontrolled
soft-templates
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uncontrolled
nanostructures
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uncontrolled
nanoparticle assembly
eng
uncontrolled
hybrid nanostructures
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uncontrolled
Kolloidchemie
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uncontrolled
hybride Nanostrukturen
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uncontrolled
Mikroemulsionen
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Nanopartikeln-Anordnung
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Nanopartikeln
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Nanostrukturen
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Soft-Templaten
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Tenside
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uncontrolled
Química de Coloides
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uncontrolled
nanoestructuras híbridas
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uncontrolled
microemulsiones
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uncontrolled
ensamblaje de nanopartículas
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uncontrolled
nanopartículas
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nanoestructuras
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estructuras templadas blandas
spa
uncontrolled
tensioactivos
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/57180/fortes_martin_diss.pdf
61092
2023
2023
eng
351
doctoralthesis
1
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2023-10-10
Carbon nitride: a flexible platform for net-oxidative and net-neutral photocatalysis
Solar photocatalysis is the one of leading concepts of research in the current paradigm of sustainable chemical industry. For actual practical implementation of sunlight-driven catalytic processes in organic synthesis, a cheap, efficient, versatile and robust heterogeneous catalyst is necessary. Carbon nitrides are a class of organic semiconductors who are known to fulfill these requirements.
First, current state of solar photocatalysis in economy, industry and lab research is overviewed, outlining EU project funding, prospective synthetic and reforming bulk processes, small scale solar organic chemistry, and existing reactor designs and prototypes, concluding feasibility of the approach.
Then, the photocatalytic aerobic cleavage of oximes to corresponding aldehydes and ketones by anionic poly(heptazine imide) carbon nitride is discussed. The reaction provides a feasible method of deprotection and formation of carbonyl compounds from nitrosation products and serves as a convenient model to study chromoselectivity and photophysics of energy transfer in heterogeneous photocatalysis.
Afterwards, the ability of mesoporous graphitic carbon nitride to conduct proton-coupled electron transfer was utilized for the direct oxygenation of 1,3-oxazolidin-2-ones to corresponding 1,3-oxazlidine-2,4-diones. This reaction provides an easier access to a key scaffold of diverse types of drugs and agrochemicals.
Finally, a series of novel carbon nitrides based on poly(triazine imide) and poly(heptazine imide) structure was synthesized from cyanamide and potassium rhodizonate. These catalysts demonstrated a good performance in a set of photocatalytic benchmark reactions, including aerobic oxidation, dual nickel photoredox catalysis, hydrogen peroxide evolution and chromoselective transformation of organosulfur precursors.
Concluding, the scope of carbon nitride utilization for net-oxidative and net-neutral photocatalytic processes was expanded, and a new tunable platform for catalyst synthesis was discovered.
Die solare Photokatalyse ist eines der führenden Forschungskonzepte im aktuellen Paradigma der nachhaltigen chemischen Industrie. Für die praktische Umsetzung von sonnenlichtgetriebenen katalytischen Prozessen in der organischen Synthese ist ein billiger, effizienter, vielseitiger und robuster heterogener Katalysator erforderlich. Kohlenstoffnitride sind eine Klasse von organischen Halbleitern, von denen bekannt ist, dass sie diese Anforderungen erfüllen.
Zunächst wird ein Überblick über den aktuellen Stand der solaren Photokatalyse in Wirtschaft, Industrie und Laborforschung gegeben, wobei die Finanzierung von EU-Projekten, künftige Synthese- und Reformierungsprozesse in großen Mengen, organische Solarchemie in kleinem Maßstab sowie bestehende Reaktorkonstruktionen und -prototypen beschrieben und die Durchführbarkeit des Ansatzes erläutert werden.
Anschließend wird die photokatalytische aerobe Spaltung von Oximen in die entsprechenden Aldehyde und Ketone durch anionisches Poly(heptazinimid)-Kohlenstoffnitrid diskutiert. Die Reaktion stellt eine praktikable Methode zur Entschützung und Bildung von Carbonylverbindungen aus Nitrosierungsprodukten dar und dient als geeignetes Modell zur Untersuchung der Chromoselektivität und der Photophysik der Energieübertragung in der heterogenen Photokatalyse.
Anschließend wurde die Fähigkeit von mesoporösem graphitischem Kohlenstoffnitrid, protonengekoppelten Elektronentransfer zu leiten, für die direkte Oxygenierung von 1,3-Oxazolidin-2-onen zu den entsprechenden 1,3-Oxazlidin-2,4-Dionen genutzt. Diese Reaktion ermöglicht einen leichteren Zugang zu einem wichtigen Gerüst für verschiedene Arten von Medikamenten und Agrochemikalien.
Schließlich wurde eine Reihe neuartiger Kohlenstoffnitride auf der Basis von Poly(triazinimid)- und Poly(heptazinimid)-Strukturen aus Cyanamid und Kaliumrhodizonat synthetisiert. Diese Katalysatoren zeigten eine gute Leistung in einer Reihe von photokatalytischen Benchmark-Reaktionen, einschließlich aerober Oxidation, dualer Nickel-Photoredox-Katalyse, Wasserstoffperoxid-Evolution und chromoselektiver Umwandlung von Organoschwefel-Vorläufern.
Abschließend wurde der Anwendungsbereich von Kohlenstoffnitrid für netzoxidative und netzneutrale photokatalytische Prozesse erweitert und eine neue abstimmbare Plattform für die Katalysatorsynthese entdeckt.
Kohlenstoffnitrid: Eine flexible Plattform für netzoxidative und netzneutrale Photokatalyse
10.25932/publishup-61092
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610923
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Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VK 5557, VK 5050
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Alexey Galushchinskiy
eng
uncontrolled
carbon nitrides
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uncontrolled
Kohlenstoffnitriden
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uncontrolled
heterogeneous photocatalysis
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uncontrolled
heterogene Photokatalyse
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uncontrolled
organic synthesis
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uncontrolled
organische Synthese
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Extern
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/61092/galushchinskiy_diss.pdf
61036
2023
2023
eng
viii, 142
doctoralthesis
1
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2023-09-28
Nanostructured Iron-based compounds as sulfur host material for lithium-sulfur batteries
Nanostrukturierte Eisenverbindungen als Schwefel-Wirtsmaterial für Lithium-Schwefel-Batterien
The present thesis focuses on the synthesis of nanostructured iron-based compounds by using β-FeOOH nanospindles and poly(ionic liquid)s (PILs) vesicles as hard and soft templates, respectively, to suppress the shuttle effect of lithium polysulfides (LiPSs) in Li-S batteries. Three types of composites with different nanostructures (mesoporous nanospindle, yolk-shell nanospindle, and nanocapsule) have been synthesized and applied as sulfur host material for Li-S batteries. Their interactions with LiPSs and effects on the electrochemical performance of Li-S batteries have been systematically studied.
In the first part of the thesis, carbon-coated mesoporous Fe3O4 (C@M-Fe3O4) nanospindles have been synthesized to suppress the shuttle effect of LiPSs. First, β-FeOOH nanospindles have been synthesized via the hydrolysis of iron (III) chloride in aqueous solution and after silica coating and subsequent calcination, mesoporous Fe2O3 (M-Fe2O3) have been obtained inside the confined silica layer through pyrolysis of β-FeOOH. After the removal of the silica layer, electron tomography (ET) has been applied to rebuild the 3D structure of the M-Fe2O3 nanospindles. After coating a thin layer of polydopamine (PDA) as carbon source, the PDA-coated M-Fe2O3 particles have been calcinated to synthesize C@M-Fe3O4 nanospindles. With the chemisorption of Fe3O4 and confinement of mesoporous structure to anchor LiPSs, the composite C@M-Fe3O4/S electrode delivers a remaining capacity of 507.7 mAh g-1 at 1 C after 600 cycles.
In the second part of the thesis, a series of iron-based compounds (Fe3O4, FeS2, and FeS) with the same yolk-shell nanospindle morphology have been synthesized, which allows for the direct comparison of the effects of compositions on the electrochemical performance of Li-S batteries. The Fe3O4-carbon yolk-shell nanospindles have been synthesized by using the β-FeOOH nanospindles as hard template. Afterwards, Fe3O4-carbon yolk-shell nanospindles have been used as precursors to obtain iron sulfides (FeS and FeS2)-carbon yolk-shell nanospindles through sulfidation at different temperatures. Using the three types of yolk-shell nanospindles as sulfur host, the effects of compositions on interactions with LiPSs and electrochemical performance in Li-S batteries have been systematically investigated and compared. Benefiting from the chemisorption and catalytic effect of FeS2 particles and the physical confinement of the carbon shell, the FeS2-C/S electrode exhibits the best electrochemical performance with an initial specific discharge capacity of 877.6 mAh g-1 at 0.5 C and a retention ratio of 86.7% after 350 cycles.
In the third part, PILs vesicles have been used as soft template to synthesize carbon nanocapsules embedded with iron nitride particles to immobilize and catalyze LiPSs in Li-S batteries. First, 3-n-decyl-1-vinylimidazolium bromide has been used as monomer to synthesize PILs nanovesicles by free radical polymerization. Assisted by PDA coating route and ion exchange, PIL nanovesicles have been successfully applied as soft template in morphology-maintaining carbonization to prepare carbon nanocapsules embedded with iron nitride nanoparticles (FexN@C). The well-dispersed iron nitride nanoparticles effectively catalyze the conversion of LiPSs to Li2S, owing to their high electrical conductivity and strong chemical binding to LiPSs. The constructed FexN@C/S cathode demonstrates a high initial discharge capacity of 1085.0 mAh g-1 at 0.5 C with a remaining value of 930.0 mAh g-1 after 200 cycles.
The results in the present thesis demonstrate the facile synthetic routes of nanostructured iron-based compounds with controllable morphologies and compositions using soft and hard colloidal templates, which can be applied as sulfur host to suppress the shuttle behavior of LiPSs. The synthesis approaches developed in this thesis are also applicable to fabricating other transition metal-based compounds with porous nanostructures for other applications.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese von nanostrukturierten Verbindungen auf Eisenbasis unter Verwendung von β-FeOOH-Nanospindeln und Vesikeln aus Poly(ionischen Flüssigkeiten) (PILs) als harte bzw. weiche Vorlagen, um den Shuttle-Effekt von Lithiumpolysulfiden (LiPSs) in Li-S-Batterien zu unterdrücken. Drei Arten von Verbundstoffen mit unterschiedlichen Nanostrukturen (mesoporöse Nanospindel, Dotterschalen-Nanospindel und Nanokapsel) wurden synthetisiert und als Schwefel-Wirtsmaterial für Li-S-Batterien eingesetzt. Ihre Wechselwirkungen mit LiPS und ihre Auswirkungen auf die elektrochemische Leistung von Li-S-Batterien wurden systematisch untersucht.
Im ersten Teil der Arbeit wurden kohlenstoffbeschichtete mesoporöse Fe3O4 (C@M-Fe3O4) Nanospindeln synthetisiert, um den Shuttle-Effekt von LiPSs zu unterdrücken. Zunächst wurden β-FeOOH-Nanospindeln durch Hydrolyse von Eisen(III)-chlorid in wässriger Lösung synthetisiert. Nach der Beschichtung mit Siliziumdioxid und anschließender Kalzinierung wurde mesoporöses Fe2O3 (M-Fe2O3) innerhalb der begrenzten Siliziumdioxidschicht durch Pyrolyse von β-FeOOH erhalten. Nach der Entfernung der Siliziumdioxidschicht wurde Elektronentomographie (ET) eingesetzt, um die 3D-Struktur der M-Fe2O3-Nanospindeln zu rekonstruieren. Nach der Beschichtung mit einer dünnen Schicht Polydopamin (PDA) als Kohlenstoffquelle wurden die PDA-beschichteten M-Fe2O3-Partikel kalziniert, um C@M-Fe3O4-Nanospindeln zu synthetisieren. Durch die Chemisorption von Fe3O4 und die Einschließung der mesoporösen Struktur zur Verankerung der LiPSs liefert die zusammengesetzte C@M-Fe3O4/S-Elektrode nach 600 Zyklen eine Restkapazität von 507,7 mAh g-1 bei 1 C.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine Reihe von eisenbasierten Verbindungen (Fe3O4, FeS2, und FeS) mit der gleichen Dotterschalen-Nanospindel-Morphologie synthetisiert, was einen direkten Vergleich der Auswirkungen der Zusammensetzungen auf die elektrochemische Leistung von Li S-Batterien ermöglicht. Die Fe3O4-Kohlenstoff-Dotterschalen-Nanospindeln wurden unter Verwendung der β-FeOOH-Nanospindeln als harte Vorlage synthetisiert. Anschließend wurden Fe3O4-Kohlenstoff-Dotterschalen-Nanospindeln als Vorläufer verwendet, um Eisensulfide (FeS und FeS2) - Kohlenstoff-Dotterschalen-Nanospindeln durch Sulfidierung bei verschiedenen Temperaturen zu erhalten. Durch Verwendung der drei Arten von Dotterschalen-Nanospindeln als Schwefelwirt wurden die Auswirkungen der Zusammensetzungen auf die Wechselwirkungen mit LiPS und die elektrochemische Leistung in Li-S-Batterien systematisch untersucht und verglichen. Die FeS2-C/S-Elektrode, die von der Chemisorption und der katalytischen Wirkung der FeS2-Teilchen und dem physikalischen Einschluss der Kohlenstoffschale profitiert, zeigt die beste elektrochemische Leistung mit einer anfänglichen spezifischen Entladekapazität von 877,6 mAh g-1 bei 0,5 C und einem Kapazitätserhalt von 86,7 % nach 350 Zyklen.
Im dritten Teil wurden PILs-Vesikel als weiche Vorlage verwendet, um Kohlenstoff-Nanokapseln zu synthetisieren, die mit Eisennitridpartikeln durchsetzt sind, um LiPSs in Li-S-Batterien zu immobilisieren und deren Umwandlung zu katalysieren. Zunächst wurde 3-n-Decyl-1-Vinylimidazoliumbromid als Monomer für die Synthese von PIL-Nanovesikeln durch radikalische Polymerisation verwendet. Mit Hilfe der PDA-Beschichtung und des Ionenaustauschs wurden die PIL-Nanomoleküle erfolgreich als weiche Vorlage bei der morphologieerhaltenden Karbonisierung eingesetzt, um Kohlenstoff-Nanokapseln mit eingebetteten Eisennitrid-Nanopartikeln (FexN@C) herzustellen. Die gut dispergierten Eisennitrid-Nanopartikel katalysieren die Umwandlung von LiPS in Li2S aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit und starken chemischen Bindung an LiPS effektiv. Die konstruierte FexN@C/S-Kathode zeigt eine hohe anfängliche Entladekapazität von 1085,0 mAh g-1 bei 0,5 C mit einer verbleibenden Kapazität von 930,0 mAh g-1 nach 200 Zyklen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich nanostrukturierte eisenbasierte Verbindungen mit kontrollierbarer Morphologie und Zusammensetzung leicht synthetisieren lassen, indem weiche und harte kolloidale Template verwendet werden, die als Schwefelwirt eingesetzt werden können, um das Shuttle-Verhalten von LiPS zu unterdrücken. Die in dieser Arbeit entwickelten Syntheseansätze sind auch für die Herstellung anderer Verbindungen auf Übergangsmetallbasis mit porösen Nanostrukturen für andere Anwendungen einsetzbar.
10.25932/publishup-61036
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-610369
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Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VN 6057, VE 9857
CC-BY-NC-ND - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitungen 4.0 International
Dongjiu Xie
eng
uncontrolled
sulfur host
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uncontrolled
Schwefelwirt
eng
uncontrolled
Li-S batteries
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uncontrolled
Li-S-Batterien
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uncontrolled
iron-based compounds
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Verbindungen auf Eisenbasis
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uncontrolled
nanospindles
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Nanospindeln
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vesicles
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Vesikel
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uncontrolled
nanocapsules
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uncontrolled
Nanokapseln
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uncontrolled
poly(ionic liquid)s
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uncontrolled
poly(ionische Flüssigkeiten)
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uncontrolled
electron tomography
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uncontrolled
Elektronentomographie
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uncontrolled
cryo-electron microscopy
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uncontrolled
Kryo-Elektronenmikroskopie
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/61036/xie_diss.pdf
60487
2023
2023
eng
7
1341
postprint
1
2023-03-22
2023-03-22
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N-Butyl Pyridinium Diiodido Argentate(I)
A new solid-state material, N-butyl pyridinium diiodido argentate(I), is synthesized using a simple and effective one-pot approach. In the solid state, the compound exhibits 1D ([AgI2](-))(n) chains that are stabilized by the N-butyl pyridinium cation. The 1D structure is further manifested by the formation of long, needle-like crystals, as revealed from electron microscopy. As the general composition is derived from metal halide-based ionic liquids, the compound has a low melting point of 100-101 degrees C, as confirmed by differential scanning calorimetry. Most importantly, the compound has a conductivity of 10(-6) S cm(-1) at room temperature. At higher temperatures the conductivity increases and reaches to 10(-4 )S cm(-1) at 70 degrees C. In contrast to AgI, however, the current material has a highly anisotropic 1D arrangement of the ionic domains. This provides direct and tuneable access to fast and anisotropic ionic conduction. The material is thus a significant step forward beyond current ion conductors and a highly promising prototype for the rational design of highly conductive ionic solid-state conductors for battery or solar cell applications.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
A One-Dimensional Ag-I Network with Superior Solid-State Ionic Conductivity at Room Temperature
10.25932/publishup-60487
1866-8372
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604874
outputup:dataSource:Publikationsfonds:2023
WOS:000955536300001
Bhattacharyya, B; Taubert, A (corresponding author), Univ Potsdam, Inst Chem, D-14476 Potsdam, Germany., bhattacharyya@uni-potsdam.de; ataubert@uni-potsdam.de
Taubert, Andreas
2023-08-15T14:37:47+00:00
sword
importub
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23837d871f496de90e87650484139b88
Version of record
Bhattacharyya, Biswajit
<a href="https://publishup.uni-potsdam.de/60486">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Biswajit Bhattacharyya
Christian Balischewski
Eric Sperlich
Christina Günter
Stefan Mies
Alexandra Kelling
Andreas Taubert
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1341
eng
uncontrolled
AgI
eng
uncontrolled
ionic conductivity
eng
uncontrolled
Ionic liquids
eng
uncontrolled
thermal properties
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Institut für Geowissenschaften
Referiert
Import
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/60487/zmnr1341.pdf
60196
2023
2023
2023
eng
116
doctoralthesis
1
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2023-07-17
Study on manufacturing of multifunctional bilayer systems
Layered structures are ubiquitous in nature and industrial products, in which individual layers could have different mechanical/thermal properties and functions independently contributing to the performance of the whole layered structure for their relevant application. Tuning each layer affects the performance of the whole layered system.
Pores are utilized in various disciplines, where low density, but large surfaces are demanded. Besides, open and interconnected pores would act as a transferring channel for guest chemical molecules. The shape of pores influences compression behavior of the material. Moreover, introducing pores decreases the density and subsequently the mechanical strength. To maintain defined mechanical strength under various stress, porous structure can be reinforced by adding reinforcement agent such as fiber, filler or layered structure to bear the mechanical stress on demanded application.
In this context, this thesis aimed to generate new functions in bilayer systems by combining layers having different moduli and/or porosity, and to develop suitable processing techniques to access these structures.
Manufacturing processes of layered structures employ often organic solvents mostly causing environmental pollution. In this regard, the studied bilayer structures here were manufactured by processes free of organic solvents.
In this thesis, three bilayer systems were studied to answer the individual questions.
First, while various methods of introducing pores in melt-phase are reported for one-layer constructs with simple geometry, can such methods be applied to a bilayer structure, giving two porous layers?
This was addressed with Bilayer System 1. Two porous layers were obtained from melt-blending of two different polyurethanes (PU) and polyvinyl alcohol (PVA) in a co-continuous phase followed by sequential injection molding and leaching the PVA phase in deionized water. A porosity of 50 ± 5% with a high interconnectivity was obtained, in which the pore sizes in both layers ranged from 1 µm to 100 µm with an average of 22 µm in both layers. The obtained pores were tailored by applying an annealing treatment at relevant high temperatures of 110 °C and 130 °C, which allowed the porosity to be kept constant. The disadvantage of this system is that a maximum of 50% porosity could be reached and removal of leaching material in the weld line section of both layers is not guaranteed. Such a construct serves as a model for bilayer porous structure for determining structure-property relationships with respect to the pore size, porosity and mechanical properties of each layer. This fabrication method is also applicable to complex geometries by designing a relevant mold for injection molding.
Secondly, utilizing scCO2 foaming process at elevated temperature and pressure is considered as a green manufacturing process. Employing this method as a post-treatment can alter the history orientation of polymer chains created by previous fabrication methods. Can a bilayer structure be fabricated by a combination of sequential injection molding and scCO2 foaming process, in which a porous layer is supported by a compact layer?
Such a construct (Bilayer System 2) was generated by sequential injection molding of a PCL (Tm ≈ 58 °C) layer and a PLLA (Tg ≈ 58 °C) layer. Soaking this structure in the autoclave with scCO2 at T = 45 °C and P = 100 bar led to the selective foaming of PCL with a porosity of 80%, while the PLA layer was kept compact. The scCO2 autoclave led to the formation of a porous core and skin layer of the PCL, however, the degree of crystallinity of PLLA layer increased from 0 to 50% at the defined temperature and pressure. The microcellular structure of PCL as well as the degree of crystallinity of PLLA were controlled by increasing soaking time.
Thirdly, wrinkles on surfaces in micro/nano scale alter the properties, which are surface-related. Wrinkles are formed on a surface of a bilayer structure having a compliant substrate and a stiff thin film. However, the reported wrinkles were not reversible. Moreover, dynamic wrinkles in nano and micro scale have numerous examples in nature such as gecko foot hair offering reversible adhesion and an ability of lotus leaves for self-cleaning altering hydrophobicity of the surface. It was envisioned to imitate this biomimetic function on the bilayer structure, where self-assembly on/off patterns would be realized on the surface of this construct.
In summary, developing layered constructs having different properties/functions in the individual layer or exhibiting a new function as the consequence of layered structure can give novel insight for designing layered constructs in various disciplines such as packaging and transport industry, aerospace industry and health technology.
Schichtstrukturen sind in der Natur und in Industrieprodukten allgegenwärtig, wobei die einzelnen Schichten unterschiedliche mechanische/thermische Eigenschaften und Funktionen haben können, die unabhängig voneinander zur Leistungsfähigkeit der gesamten Schichtstruktur für die jeweilige Anwendung beitragen. Die individuelle Abstimmung jeder einzelnen Schicht wirkt sich auf die Leistungsfähigkeit des gesamten Schichtsystems aus.
Poren werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, in denen eine geringe Dichte, aber eine große Oberfläche erforderlich ist. Außerdem können offene und miteinander verbundene Poren als Übertragungskanal für chemische Gast-Moleküle dienen. Die Form der Poren beeinflusst das Kompressionsverhalten des Materials.
In diesem Zusammenhang zielte diese Arbeit darauf ab, neue Funktionen in zweischichtigen Systemen durch die Kombination von Schichten mit unterschiedlichen Modulen und/oder Porosität zu erzeugen und geeignete Verarbeitungstechniken zu entwickeln, um diese Strukturen zu erreichen.
Bei der Herstellung von Schichtstrukturen werden häufig organische Lösungsmittel verwendet, die meist eine Umweltbelastung darstellen. Daher wurden die hier untersuchten Doppelschichtstrukturen mit Verfahren hergestellt, die frei von organischen Lösungsmitteln sind.
In dieser Arbeit wurden drei Doppelschichtsysteme untersucht, um die einzelnen Fragen zu beantworten.
Erstens: Während verschiedene Methoden zur Einführung von Poren in der Schmelzphase für einschichtige Konstruktionen mit einfacher Geometrie bekannt sind, stellt sich die Frage, ob solche Methoden sich auf eine zweischichtige Struktur anwenden lassen und somit zwei unterschiedlich poröse Schichten ergibt?
Dies wurde mit dem Zweischichtsystem 1 untersucht. Zwei poröse Schichten wurden durch das Mischen in der Schmelze von zwei verschiedenen Polyurethanen (PU) und Polyvinylalkohol (PVA) in einer co-kontinuierlichen Phase erhalten. Es folgte sequentielles Spritzgießen und das Entfernen der PVA-Phase durch „Leaching“ in entionisiertem Wasser. Es wurde eine Porosität von 50 ± 5 % mit einer hohen Interkonnektivität erzielt, wobei die Porengrößen in beiden Schichten zwischen 1 µm und 100 µm lagen, mit einem Durchschnittswert von 22 µm in beiden Schichten. Diese Herstellungsmethode ist auch auf komplexe Geometrien anwendbar, es muss lediglich eine entsprechende Form für das Spritzgießen entworfen werden.
Zweitens: die Verwendung des scCO2-Schäumungsverfahrens bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck wird als umweltfreundlicher Herstellungsprozess betrachtet. Durch den Einsatz dieser Methode als Nachbehandlung kann die Historie der Ausrichtung der Polymerketten, die durch frühere Herstellungsmethoden entstanden ist, verändert werden. Kann eine zweischichtige Struktur durch eine Kombination aus sequentiellem Spritzgießen und scCO2-Schäumverfahren hergestellt werden, bei der eine poröse Schicht von einer kompakten Schicht getragen wird?
Ein solches Konstrukt (Bilayer System 2) wurde durch sequentielles Spritzgießen einer PCL-Schicht (Tm ≈ 58 °C) und einer PLLA-Schicht (Tg ≈ 58 °C) erzeugt. Das Einweichen dieser Struktur in scCO2 im Autoklaven bei T = 45 °C und P = 100 bar führte zum selektiven Aufschäumen von PCL mit einer Porosität von 80%, während die PLA-Schicht unverschäumt blieb. Die Behandlung im scCO2-Autoklav führte zur Bildung einer porösen Kern- und Hautschicht des PCL, während der Kristallinitätsgrad der PLLA-Schicht bei der definierten Temperatur und dem definierten Druck von 0 auf 50 % anstieg. Die mikrozelluläre Struktur von PCL sowie der Kristallinitätsgrad von PLLA wurden durch die Erhöhung der Einweichzeit gesteuert.
Drittens verändern Falten auf Oberflächen im Mikro-/Nanomaßstab die Eigenschaften, die mit der Oberfläche zusammenhängen. Falten bilden sich auf der Oberfläche einer zweischichtigen Struktur mit einem nachgiebigen Substrat und einem steifen dünnen Film. Die Falten waren jedoch nicht reversibel. Darüber hinaus gibt es in der Natur zahlreiche Beispiele für dynamische Falten im Nano- und Mikromaßstab, wie z. B. Gecko-Fußhaare, die eine reversible Adhäsion ermöglichen, und die Fähigkeit von Lotusblättern, sich selbst zu reinigen, indem sie die Hydrophobizität der Oberfläche verändern. Diese biomimetische Funktion sollte auf der Doppelschichtstruktur nachgeahmt werden, wobei auf der Oberfläche dieses Konstrukts selbstorganisierende On/Off-Muster realisiert werden sollten.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Entwicklung geschichteter Konstrukte mit unterschiedlichen Eigenschaften/Funktionen in den einzelnen Schichten oder mit einer neuen Funktion als Folge der geschichteten Struktur neue Erkenntnisse für den Entwurf geschichteter Konstrukte in verschiedenen Disziplinen wie der Verpackungs- und Transportindustrie, der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Gesundheitstechnologie liefern kann.
Studie zur Herstellung multifunktionaler Doppelschichtsysteme
10.25932/publishup-60196
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601968
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2023
ZM 5100
Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
Mersa Saatchi
eng
uncontrolled
bilayer system
eng
uncontrolled
biomaterials
eng
uncontrolled
wrinkles
eng
uncontrolled
polymer
eng
uncontrolled
injection molding
deu
uncontrolled
Doppelschichtstruktur
deu
uncontrolled
Biomaterialien
deu
uncontrolled
poröse Struktur
deu
uncontrolled
Falten
deu
uncontrolled
Spritzgießen
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/60196/saatchi_diss.pdf
59199
2023
2023
2023
eng
VIII, 78, A245
habilitation
1
--
--
2023-03-30
Laser-induced carbonization - from fundamentals to applications
Fabricating electronic devices from natural, renewable resources has been a common goal in engineering and materials science for many years. In this regard, carbon is of special significance due to its biological compatibility. In the laboratory, carbonized materials and their composites have been proven as promising solutions for a range of future applications in electronics, optoelectronics, or catalytic systems. On the industrial scale, however, their application is inhibited by tedious and expensive preparation processes and a lack of control over the processing and material parameters. Therefore, we are exploring new concepts for the direct utilization of functional carbonized materials in electronic applications. In particular, laser-induced carbonization (carbon laser-patterning (CLaP)) is emerging as a new tool for the precise and selective synthesis of functional carbon-based materials for flexible on-chip applications.
We developed an integrated approach for on-the-spot laser-induced synthesis of flexible, carbonized films with specific functionalities. To this end, we design versatile precursor inks made from naturally abundant starting compounds and reactants to cast films which are carbonized with an infrared laser to obtain functional patterns of conductive porous carbon networks. In our studies we obtained deep mechanistic insights into the formation process and the microstructure of laser-patterned carbons (LP-C). We shed light on the kinetic reaction mechanism based on the interplay between the precursor properties and the reaction conditions. Furthermore, we investigated the use of porogens, additives, and reactants to provide a toolbox for the chemical and physical fine-tuning of the electronic and surface properties and the targeted integration of functional sites into the carbon network. Based on this knowledge, we developed prototype resistive chemical and mechanical sensors. In further studies, we show the applicability of LP-C as electrode materials in electrocatalytic and charge-storage applications.
To put our findings into a common perspective, our results are embedded into the context of general carbonization strategies, fundamentals of laser-induced materials processing, and a broad literature review on state-of-the-art laser-carbonization, in the general part.
Die Herstellung elektronischer Geräte aus natürlichen, erneuerbaren Ressourcen ist seit vielen Jahren ein gemeinsames Ziel in den Ingenieurs- und Materialwissenschaften. Kohlenstoff kommt dabei aufgrund seiner biologischen Verträglichkeit eine besondere Bedeutung zu. Im Labor haben sich karbonisierte Materialien und ihre Verbundwerkstoffe als vielversprechende Lösungen für eine Reihe zukünftiger Anwendungen in der Elektronik, Optoelektronik oder katalytischen Systemen erwiesen. Im industriellen Maßstab wird ihre Anwendung jedoch durch langwierige und teure Herstellungsverfahren und mangelnde Kontrolle über die Verarbeitungs- und Materialparameter gehemmt. Daher erforschen wir neue Konzepte für die direkte Nutzung funktionaler karbonisierter Materialien in elektronischen Anwendungen. Insbesondere die laserinduzierte Karbonisierung / Kohlenstoff-Laserstrukturierung (KoLaSt) entwickelt sich zu einem neuen Werkzeug für die präzise und selektive Synthese von funktionellen Materialien auf Kohlenstoffbasis für flexible On-Chip-Anwendungen.
Wir haben einen integrierten Ansatz für die direkte laserinduzierte Synthese von flexiblen, karbonisierten Filmen mit spezifischen Funktionalitäten entwickelt. Zu diesem Zweck haben wir vielseitige Vorläufertinten aus natürlich vorkommenden organischen Ausgangsstoffen und Reaktanten entwickelt, um Filme aufzutragen, die mit einem Infrarotlaser karbonisiert werden um dadurch funktionelle Muster aus leitfähigen porösen Kohlenstoffnetzwerken zu erhalten. In unseren Studien haben wir tiefe mechanistische Einblicke in den Bildungsprozess und die Mikrostruktur von laserstrukturierten Kohlenstoffen (LP-C) erhalten. Wir beleuchten den kinetischen Reaktionsmechanismus basierend auf dem Zusammenspiel zwischen den Vorläufereigenschaften und den Reaktionsbedingungen. Darüber hinaus untersuchen wir die Verwendung von Porogenen, Additiven und Reaktanten, um eine Toolbox für die chemische und physikalische Feineinstellung der elektronischen und Oberflächeneigenschaften und die gezielte Integration von funktionellen Einheiten in das Kohlenstoffnetzwerk bereitzustellen. Basierend auf diesem Wissen haben wir Prototypen resistiver chemischer und mechanischer Sensoren entwickelt. In weiteren Studien zeigen wir die Anwendbarkeit von LP-C als Elektrodenmaterialien in elektrokatalytischen und Ladungsspeicheranwendungen.
Um unsere Erkenntnisse in eine allgemeine Perspektive zu bringen, betten wir unsere Ergebnisse im allgemeinen Teil in den Kontext bekannter Karbonisierungsstrategien, Grundlagen der laserinduzierten Materialbearbeitung und einer breiten Literaturübersicht zum Stand der Technik der Laserkarbonisierung ein.
10.25932/publishup-59199
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-591995
online registration
publish
Habilitationsschrift, Universität Potsdam, 2023
VE 9857, VE 5070, VN 9507
Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
Volker Strauß
eng
uncontrolled
Laser-Carbonization
eng
uncontrolled
Carbonization
eng
uncontrolled
Chemical Sensors
eng
uncontrolled
Electronic materials
deu
uncontrolled
Laserkarbonisierung
deu
uncontrolled
Karbonisierung
deu
uncontrolled
chemische Sensoren
deu
uncontrolled
elektronische Materialien
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/59199/strauss_habil.pdf
59168
2023
2023
eng
156
doctoralthesis
1
--
--
2023-05-05
Influence of the pore structure and chemical properties of all-carbon composites on their electrochemical properties in lithium-ion capacitors
Einfluss der Porenstruktur und chemischen Eigenschaften von All-Carbon-Kompositen auf ihre elektrochemischen Eigenschaften in Lithium-Ionen-Kondensatoren
Lithium-ion capacitors (LICs) are promising energy storage devices by asymmetrically combining anode with a high energy density close to lithium-ion batteries and cathode with a high power density and long-term stability close to supercapacitors. For the further improvement of LICs, the development of electrode materials with hierarchical porosity, nitrogen-rich lithiophilic sites, and good electrical conductivity is essential. Nitrogen-rich all-carbon composite hybrids are suitable for these conditions along with high stability and tunability, resulting in a breakthrough to achieve the high performance of LICs. In this thesis, two different all-carbon composites are suggested to unveil how the pore structure of lithiophilic composites influences the properties of LICs. Firstly, the composite with 0-dimensional zinc-templated carbon (ZTC) and hexaazatriphenylene-hexacarbonitrile (HAT) is examined how the pore structure is connected to Li-ion storage property as LIC electrode. As the pore structure of HAT/ZTC composite is easily tunable depending on the synthetic factor and ratio of each component, the results will allow deeper insights into Li-ion dynamics in different porosity, and low-cost synthesis by optimization of the HAT:ZTC ratio. Secondly, the composite with 1-dimensional nanoporous carbon fiber (ACF) and cost-effective melamine is proposed as a promising all-carbon hybrid for large-scale application. Since ACF has ultra-micropores, the numerical structure-property relationships will be calculated out not only from total pore volume but more specifically from ultra-micropore volume. From these results above, it would be possible to understand how hybrid all-carbon composites interact with lithium ions in nanoscale as well as how structural properties affect the energy storage performance. Based on this understanding derived from the simple materials modeling, it will provide a clue to design the practical hybrid materials for efficient electrodes in LICs.
Lithium-Ionen-Kondensatoren (LICs) sind vielversprechende Energiespeicher, indem sie eine Anode mit einer vergleichsweise hohen Energiedichte wie die von Lithium-Ionen-Batterien und eine Kathode mit hoher Leistungsdichte und Langzeitstabilität wie die Superkondensatoren asymmetrisch kombinieren. Für die weitere Verbesserung von LICs ist die Entwicklung von Elektrodenmaterialien mit hierarchischer Porosität, stickstoffreichen lithiophilen Zentren und guter elektrischer Leitfähigkeit unerlässlich. Stickstoffreiche Vollcarbon-Verbundwerkstoffe sind für diese Bedingungen zusammen mit hoher Stabilität geeignet, was zu einem Durchbruch bei der Erzielung der hohen Leistung von LICs führt. In dieser Dissertation werden zwei verschiedene All-Carbon-Komposite vorgeschlagen, um aufzudecken, wie die Porenstruktur von lithiophilen Kompositen die Eigenschaften von LICs beeinflusst. Zunächst wird der Verbund mit 0-dimensionalem Zink-Templat-Kohlenstoff (ZTC) und Hexaazatriphenylen-Hexacarbonitril (HAT) untersucht, wie die Porenstruktur mit der Li-Ionen-Speichereigenschaft als LIC-Elektrode verbunden ist. Da die Porenstruktur von HAT/ZTC-Kompositen je nach Synthesefaktor und Verhältnis jeder Komponente leicht einstellbar ist, werden die Ergebnisse tiefere Einblicke in die Li-Ionen-Dynamik verschiedener Porositäten und eine kostengünstige Synthese durch Optimierung des Verhältnisses ermöglichen. Zweitens wird der Verbund mit 1-dimensionaler nanoporöser Kohlefaser (ACF) und kostengünstigem Melamin als vielversprechender All-Carbon-Hybrid für die großtechnische Anwendung vorgeschlagen. Da ACF Ultra-Mikroporen aufweist, werden die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen nicht nur aus der Gesamtporen, sondern insbesondere aus Ultra-Mikroporen berechnet. Aus den obigen Ergebnissen wäre es möglich zu verstehen, wie hybride All-Carbon-Komposite mit Lithiumionen im Nanomaßstab interagieren und wie sich strukturelle Eigenschaften auf die Energiespeicherleistung auswirken. Basierend auf diesem aus der einfachen Materialmodellierung abgeleiteten Verständnis wird es einen Anhaltspunkt für das Design praktischer Hybridmaterialien für effiziente Elektroden in LICs liefern.
10.25932/publishup-59168
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-591683
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VN 6057, ZN 8730
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Jinyeon Hwang
eng
uncontrolled
lithium ion capacitors
eng
uncontrolled
hierarchical pore structure
eng
uncontrolled
lithiophilicity
eng
uncontrolled
all-carbon composites
deu
uncontrolled
All-Carbon-Kompositen
deu
uncontrolled
hierarchische Porenstruktur
deu
uncontrolled
Lithiophilizität
deu
uncontrolled
Lithium-Ionen-Kondensatoren
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/59168/hwang_diss.pdf
58845
2023
2023
eng
15
1318
postprint
1
2023-03-01
2023-03-01
--
Influence of gluconate on the retention of Eu(III), Am(III), Th(IV), Pu(IV), and U(VI) by C-S-H (C/S = 0.8)
The retention of actinides in different oxidation states (An(X), X = III, IV, VI) by a calcium-silicate-hydrate (C-S-H) phase with a Ca/Si (C/S) ratio of 0.8 was investigated in the presence of gluconate (GLU). The actinides considered were Am(III), Th(IV), Pu(IV), and U(VI). Eu(III) was investigated as chemical analogue for Am(III) and Cm(III). In addition to the ternary systems An(X)/GLU/C-S-H, also binary systems An(X)/C-S-H, GLU/C-S-H, and An(X)/GLU were studied. Complementary analytical techniques were applied to address the different specific aspects of the binary and ternary systems. Time-resolved laser-induced luminescence spectroscopy (TRLFS) was applied in combination with parallel factor analysis (PARAFAC) to identify retained species and to monitor species-selective sorption kinetics. ¹³C and ²⁹Si magic-angle-spinning (MAS) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were applied to determine the bulk structure and the composition of the C-S-H surface, respectively, in the absence and presence of GLU. The interaction of Th(IV) with GLU in different electrolytes was studied by capillary electrophoresis-inductively coupled plasma mass spectrometry (CE-ICP-MS). The influence of GLU on An(X) retention was investigated for a large concentration range up to 10⁻² M. The results showed that GLU had little to no effect on the overall An(X) retention by C-S-H with C/S of 0.8, regardless of the oxidation state of the actinides. For Eu(III), the TRLFS investigations additionally implied the formation of a Eu(III)-bearing precipitate with dissolved constituents of the C-S-H phase, which becomes structurally altered by the presence of GLU. For U(VI) sorption on the C-S-H phase, only a small influence of GLU could be established in the luminescence spectroscopic investigations, and no precipitation of U(VI)-containing secondary phases could be identified.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
10.25932/publishup-58845
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-588455
1866-8372
Version of record
Frontiers in Nuclear Engineering 2 (2023) DOI: https://doi.org/10.3389/fnuen.2023.1124856
<a href="http://publishup.uni-potsdam.de/58844">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung</a>
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CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Sophie Dettmann
Nina Maria Huittinen
Nicolas Jahn
Jerome Kretzschmar
Michael Kumke
Tamara Kutyma
Janik Lohmann
Tobias Reich
Katja Schmeide
Salim Shams Aldin Azzam
Leon Spittler
Janina Stietz
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1318
eng
uncontrolled
actinide, organic ligand, sorption, cementitious material, concrete, luminescence
eng
uncontrolled
organic ligand
eng
uncontrolled
sorption
eng
uncontrolled
cementitious material
eng
uncontrolled
concrete
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uncontrolled
luminescence
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/58845/zmnr1318.pdf
58751
2022
2022
eng
35072
35082
11
1316
postprint
1
2023-04-12
2023-04-12
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Mixed chloridometallate(ii) ionic liquids with tunable color and optical response for potential ammonia sensors
Eight d-metal-containing N-butylpyridinium ionic liquids (ILs) with the nominal composition (C4Py)2[Ni0.5M0.5Cl4] or (C4Py)2[Zn0.5M0.5Cl4] (M = Cu, Co, Mn, Ni, Zn; C4Py = N-butylpyridinium) were synthesized, characterized, and investigated for their optical properties. Single crystal and powder X-ray analysis shows that the compounds are isostructural to existing examples based on other d-metal ions. Inductively coupled plasma optical emission spectroscopy measurements confirm that the metal/metal ratio is around 50 : 50. UV-Vis spectroscopy shows that the optical absorption can be tuned by selection of the constituent metals. Moreover, the compounds can act as an optical sensor for the detection of gases such as ammonia as demonstrated via a simple prototype setup.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
10.25932/publishup-58751
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587512
1866-8372
Version of record
Taubert, Andreas
<a href="https://publishup.uni-potsdam.de/58750">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
Karsten Behrens
Christian Balischewski
Eric Sperlich
Antonia Isabell Menski
Ruth Fabiola Balderas-Valadez
Claudia Pacholski
Christina Günter
Susanne Lubahn
Alexandra Kelling
Andreas Taubert
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1316
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/58751/zmnr1316.pdf
58535
2023
2023
eng
XIX, 142
doctoralthesis
1
--
--
2023-02-13
Synthesis of InP quantum dots and their applications
Technologically important, environmentally friendly InP quantum dots (QDs) typically used as green and red emitters in display devices can achieve exceptional photoluminescence quantum yields (PL QYs) of near-unity (95-100%) when the-state-of-the-art core/shell heterostructure of the ZnSe inner/ZnS outer shell is elaborately applied. Nevertheless, it has only led to a few industrial applications as QD liquid crystal display (QD–LCD) which is applied to blue backlight units, even though QDs has a lot of possibilities that able to realize industrially feasible applications, such as QD light-emitting diodes (QD‒LEDs) and luminescence solar concentrator (LSC), due to their functionalizable characteristics.
Before introducing the main research, the theoretical basis and fundamentals of QDs are described in detail on the basis of the quantum mechanics and experimental synthetic results, where a concept of QD and colloidal QD, a type-I core/shell structure, a transition metal doped semiconductor QDs, the surface chemistry of QD, and their applications (LSC, QD‒LEDs, and EHD jet printing) are sequentially elucidated for better understanding. This doctoral thesis mainly focused on the connectivity between QD materials and QD devices, based on the synthesis of InP QDs that are composed of inorganic core (core/shell heterostructure) and organic shell (surface ligands on the QD surface). In particular, as for the former one (core/shell heterostructure), the ZnCuInS mid-shell as an intermediate layer is newly introduced between a Cu-doped InP core and a ZnS shell for LSC devices. As for the latter one (surface ligands), the ligand effect by 1-octanethiol and chloride ion are investigated for the device stability in QD‒LEDs and the printability of electro-hydrodynamic (EHD) jet printing system, in which this research explores the behavior of surface ligands, based on proton transfer mechanism on the QD surface.
Chapter 3 demonstrates the synthesis of strain-engineered highly emissive Cu:InP/Zn–Cu–In–S (ZCIS)/ZnS core/shell/shell heterostructure QDs via a one-pot approach. When this unconventional combination of a ZCIS/ZnS double shelling scheme is introduced to a series of Cu:InP cores with different sizes, the resulting Cu:InP/ZCIS/ZnS QDs with a tunable near-IR PL range of 694–850 nm yield the highest-ever PL QYs of 71.5–82.4%. These outcomes strongly point to the efficacy of the ZCIS interlayer, which makes the core/shell interfacial strain effectively alleviated, toward high emissivity. The presence of such an intermediate ZCIS layer is further examined by comparative size, structural, and compositional analyses. The end of this chapter briefly introduces the research related to the LSC devices, fabricated from Cu:InP/ZCIS/ZnS QDs, currently in progress.
Chapter 4 mainly deals with ligand effect in 1-octanethiol passivation of InP/ZnSe/ZnS QDs in terms of incomplete surface passivation during synthesis. This chapter demonstrates the lack of anionic carboxylate ligands on the surface of InP/ZnSe/ZnS quantum dots (QDs), where zinc carboxylate ligands can be converted to carboxylic acid or carboxylate ligands via proton transfer by 1-octanethiol. The as-synthesized QDs initially have an under-coordinated vacancy surface, which is passivated by solvent ligands such as ethanol and acetone. Upon exposure of 1-octanethiol to the QD surface, 1-octanthiol effectively induces the surface binding of anionic carboxylate ligands (derived from zinc carboxylate ligands) by proton transfer, which consequently exchanges ethanol and acetone ligands that bound on the incomplete QD surface. The systematic chemical analyses, such as thermogravimetric analysis‒mass spectrometry and proton nuclear magnetic resonance spectroscopy, directly show the interplay of surface ligands, and it associates with QD light-emitting diodes (QD‒LEDs).
Chapter 5 shows the relation between material stability of QDs and device stability of QD‒LEDs through the investigation of surface chemistry and shell thickness. In typical III–V colloidal InP quantum dots (QDs), an inorganic ZnS outermost shell is used to provide stability when overcoated onto the InP core. However, this work presents a faster photo-degradation of InP/ZnSe/ZnS QDs with a thicker ZnS shell than that with a thin ZnS shell when 1-octanethiol was applied as a sulfur source to form ZnS outmost shell. Herein, 1-octanethiol induces the form of weakly-bound carboxylate ligand via proton transfer on the QD surface, resulting in a faster degradation at UV light even though a thicker ZnS shell was formed onto InP/ZnSe QDs. Detailed insight into surface chemistry was obtained from proton nuclear magnetic resonance spectroscopy and thermogravimetric analysis–mass spectrometry. However, the lifetimes of the electroluminescence devices fabricated from InP/ZnSe/ZnS QDs with a thick or a thin ZnS shell show surprisingly the opposite result to the material stability of QDs, where the QD light-emitting diodes (QD‒LEDs) with a thick ZnS shelled QDs maintained its luminance more stable than that with a thin ZnS shelled QDs. This study elucidates the degradation mechanism of the QDs and the QD light-emitting diodes based on the results and discuss why the material stability of QDs is different from the lifetime of QD‒LEDs.
Chapter 6 suggests a method how to improve a printability of EHD jet printing when QD materials are applied to QD ink formulation, where this work introduces the application of GaP mid-shelled InP QDs as a role of surface charge in EHD jet printing technique. In general, GaP intermediate shell has been introduced in III–V colloidal InP quantum dots (QDs) to enhance their thermal stability and quantum efficiency in the case of type-I core/shell/shell heterostructure InP/GaP/ZnSeS QDs. Herein, these highly luminescent InP/GaP/ZnSeS QDs were synthesized and applied to EHD jet printing, by which this study demonstrates that unreacted Ga and Cl ions on the QD surface induce the operating voltage of cone jet and cone jet formation to be reduced and stabilized, respectively. This result indicates GaP intermediate shell not only improves PL QY and thermal stability of InP QDs but also adjusts the critical flow rate required for cone-jet formation. In other words, surface charges of quantum dots can have a significant role in forming cone apex in the EHD capillary nozzle. For an industrially convenient validation of surface charges on the QD surface, Zeta potential analyses of QD solutions as a simple method were performed, as well as inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) for a composition of elements.
Beyond the generation of highly emissive InP QDs with narrow FWHM, these studies talk about the connection between QD material and QD devices not only to make it a vital jumping-off point for industrially feasible applications but also to reveal from chemical and physical standpoints the origin that obstructs the improvement of device performance experimentally and theoretically.
Umweltfreundliche InP Quantenpunkte (QDs) sind technologisch relevant und werden typischerweise als grüne und rote Emitter in Bildschirmen verwendet. Nach dem Stand der Technik kann eine sorgfältig hergestellte Kern-Schale-Heterostruktur (ZnSe innen/ZnS außen) zu außergewöhnlich hohen Photolumineszenz-Quantenausbeuten (PL-QYs) von nahezu Eins (95 - 100 %) führen. Dennoch gibt es bisher nur einige wenige industrielle Anwendungen wie QD-Flüssigkristall-Bildschirme (liquid crystal display, QD-LCD), in denen die Anregung durch eine blaue Hintergrundbeleuchtung realisiert wird. Dabei haben QDs aufgrund ihrer Modifizierbarkeit noch viele weitere industrielle Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise QD basierte lichtemittierende Dioden (QD-LEDs) und lumineszierende Solarkollektoren (luminescence solar concentrator, LSC).
Vor dem Hauptteil werden in den Kapiteln 1 und 2 die Grundlagen von QDs und die theoretischen Grundlagen basierend auf quantenmechanischer Beschreibung und experimentellen Ergebnissen eingeführt. Zum besseren Verständnis werden: das Konzept der QDs, kolloidale QDs, Kern-Schale-Strukturen vom Typ I, mit Übergangsmetallen dotierte Halbleiter-QDs, die Oberflächenchemie von QDs und ihre Anwendungen (LSC, QD-LEDs und electrohydrodynamic EHD-Jet-Printing), nacheinander eingeführt. Der Schwerpunkt dieser Doktorarbeit liegt hauptsächlich auf der Kombination von QD-Materialien und QD-Bauelementen, basierend auf der Synthese von InP QDs mit einem anorganischen Kern (Kern-Schale-Heterostruktur) und einer organischen Hülle (Oberflächenliganden auf der QD-Oberfläche). In die Kern-Schale-Heterostruktur wird eine ZnCuInS-Mittelschale als Zwischenschicht zwischen einem Cu-dotierten InP Kern und einer ZnS-Schale für LSC-Bauelemente neu eingeführt. Bei den Oberflächenliganden wird der Ligandeneffekt von 1-Oktanthiol und Chloridionen auf die Stabilität von QD-LEDs und die Druckbarkeit mit EHD-Jet-Printing hin untersucht. Dabei erhält der Protonentransfermechanismus auf der QD-Oberfläche ein besonderes Augenmerk.
In Kapitel 3 wird die Eintopfsynthese von hocheffizient emittierenden QDs mit einer Cu:InP/Zn-Cu-In-S (ZCIS)/ZnS Kern/Schale/Schale-Heterostruktur beschrieben. Wenn diese neuartige Kombination einer ZCIS/ZnS-Doppelschalenstruktur mit eine Reihe von Cu:InP-Kerne mit unterschiedlichen Größen kombiniert wird, ergeben die daraus entstehenden Cu:InP/ZCIS/ZnS-QDs die bisher höchsten publizierten PL-QYs von 71,5 – 82,4 % im nahen IR-Bereich von 694 – 850 nm mit einstellbarer PL Wellenlänge. Diese Ergebnisse weisen auf die Wirksamkeit der ZCIS-Zwischenschicht hin, welche die Grenzflächenspannung zwischen Kern und Schale effektiv mildert und damit zu einem solch hohen Emissionsvermögen führt. Diese ZCIS-Zwischenschicht wird durch vergleichende Größen-, Struktur- und Zusammensetzungsanalysen weiter untersucht. Am Ende des Kapitels wird der aktuellen Stand der Forschung auf dem Gebiet der LSC-Bauelemente aus solchen Cu:InP/ZCIS/ZnS-QDs vorgestellt.
Kapitel 4 befasst sich hauptsächlich mit dem Ligandeneffekt bei der Passivierung mit 1-Oktanthiol von InP/ZnSe/ZnS-QDs im Hinblick auf die unvollständige Oberflächenpassivierung während der Synthese. Es fehlen anionischen Carboxylat-Liganden auf der InP/ZnSe/ZnS-Oberfläche der QDs, an denen Zink Carboxylat Liganden durch Protonentransfer vom 1-Oktanthiol in Carbonsäure-Liganden umgewandelt werden könnten. Die so synthetisierten QDs haben zunächst eine unterkoordinierte Oberfläche mit Leerstellen, die durch Lösungsmittel-Liganden wie Ethanol oder Aceton passiviert werden. Wenn 1-Octanthiol an die QD-Oberfläche bindet bewirkt der Protonentransfer die Bindung von Carboxylat-Liganden (aus Zink-Carboxylat) an die Oberfläche, wobei Ethanol- oder Aceton-Liganden ausgetauscht werden. Systematische Analysen wie Thermogravimetrie (thermogravimetric analysis TGA), Massenspektrometrie (MS) und Protonen-Kernmagnetresonanz (proton nuclear magnetic resonance 1H-NMR) zeigen direkt den Zusammenhang zwischen Oberflächenliganden und QD-LEDs.
Kapitel 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der Materialstabilität von QDs und der Bauteilstabilität von QD-LEDs durch Untersuchung der Oberflächenchemie und der Schalendicke. In typischen kolloidalen III-V-InP-QDs wird eine anorganische ZnS-Außenhülle auf den InP Kern aufgetragen, um Stabilität zu gewährleisten. In dieser Arbeit wird jedoch eine schnellere Photodegradation von InP/ZnSe/ZnS-QDs mit einer dickeren statt einer dünneren ZnS-Schale gezeigt, wenn 1-Oktanthiol als Schwefelquelle zur Bildung der äußersten ZnS-Schale verwendet wurde. 1-Oktanthiol induziert die Bildung eines schwach gebundenen Carboxylatliganden durch Protonentransfer auf der QD-Oberfläche, was zu einem schnelleren Abbau unter UV-Licht trotz dickerer ZnS-Schale führt. Detailliertere Einblicke in die Oberflächenchemie werden durch 1H-NMR, TGA und MS gewonnen. Überraschenderweise zeigen jedoch die Lebensdauern der aus InP/ZnSe/ZnS-QDs mit dicken oder dünnen ZnS-Hüllen hergestellten EL-Bauelemente eine gegenteilige Stabilität: Die QD-LEDs mit QDs mit dicker ZnS-Hülle haben eine längere Lebensdauer, als jene mit dünner ZnS-Hülle. Es wird der Degradationsmechanismus der QDs und der QD-Leuchtdioden anhand der Ergebnisse erläutert und der Effekt auf die unterschiedlichen Lebensdauern von Material und Bauteil diskutiert.
In Kapitel 6 wird eine Methode vorgeschlagen, wie die Druckbarkeit von QD-Tintenformulierungen beim EHD-Jet-Druck über die QD-Materialien verbessert werden kann. Dazu werden InP-QDs mit GaP-Zwischenschalen erweitert, um die Oberflächenladung zu beeinflussen. Darüber hinaus verbessern GaP-Zwischenschalen in III-V kolloidalen InP-QDs deren thermische Stabilität und PL-QY im Falle von Typ-I-Kern/Schale/Schale-Heterostrukturen (InP/GaP/ZnSeS-QDs). Diese stark lumineszierenden InP/GaP/ZnSeS-QDs wurden synthetisiert und für den EHD-Jet-Druck verwendet. Nicht umgesetzte Ga und Cl-Ionen auf der QD-Oberfläche reduzieren die benötigte Betriebsspannung zur Ausbildung eines Taylor-Kegels und eines stabilen Tinten-Jets. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Oberflächenladungen der Quantenpunkte eine wichtige Rolle bei der Ausbildung des Taylor-Kegels spielen. Mittels Zeta-Potenzial-Messung von QD-Tinten wurde eine industriell erprobte und einfache Methode zur Untersuchung der Oberflächenladungen verwendet. Darüber hinaus wurde optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy ICP-OES) zur Bestimmung der Elementzusammensetzung durchgeführt.
Diese Dissertation beschäftigt sich sowohl mit der Synthese von hocheffizienten InP QDs mit schmalbandiger Emission (full width at half maximum FWHM), als auch den Zusammenhängen zwischen QD-Material und QD-Bauelementen. Die Ergebnisse sind einerseits relevant für die breitere industrielle Anwendung dieser Materialien und andererseits für ein tieferes chemisch-physikalisches, theoretisches und experimentelles Verständnis der Prozesse, die zu langlebigen und stabilen Bauelementen führen.
10.25932/publishup-58535
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-585351
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VE 9857, VE 5657, VE 7007, UP 3150
Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
Jiyong Kim
eng
uncontrolled
colloidal quantum dot
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uncontrolled
Cu doped InP
eng
uncontrolled
surface chemistry
eng
uncontrolled
QD stability
eng
uncontrolled
QD device
deu
uncontrolled
kolloidaler Quantenpunkt
deu
uncontrolled
Cu-dotiertes InP
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uncontrolled
Oberflächenchemie
deu
uncontrolled
QD-Stabilität
deu
uncontrolled
QD-Gerät
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Extern
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/58535/kim_diss.pdf
58474
2023
2023
eng
19
1311
postprint
1
2023-01-11
2023-01-11
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Comparison of handheld and echelle spectrometer to assess copper in ores by means of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS)
Its properties make copper one of the world’s most important functional metals. Numerous megatrends are increasing the demand for copper. This requires the prospection and exploration of new deposits, as well as the monitoring of copper quality in the various production steps. A promising technique to perform these tasks is Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). Its unique feature, among others, is the ability to measure on site without sample collection and preparation. In this work, copper-bearing minerals from two different deposits are studied. The first set of field samples come from a volcanogenic massive sulfide (VMS) deposit, the second part from a stratiform sedimentary copper (SSC) deposit. Different approaches are used to analyze the data. First, univariate regression (UVR) is used. However, due to the strong influence of matrix effects, this is not suitable for the quantitative analysis of copper grades. Second, the multivariate method of partial least squares regression (PLSR) is used, which is more suitable for quantification. In addition, the effects of the surrounding matrices on the LIBS data are characterized by principal component analysis (PCA), alternative regression methods to PLSR are tested and the PLSR calibration is validated using field samples.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
10.25932/publishup-58474
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-584742
1866-8372
Minerals 13 (2023) 1, Art. 113 DOI:10.3390/min13010113
113
<a href="http://publishup.uni-potsdam.de/58475">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung</a>
Version of record
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Pia Brinkmann
Nicole Köllner
Sven Merk
Toralf Beitz
Uwe Altenberger
Hans-Gerd Löhmannsröben
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1311
eng
uncontrolled
LIBS
eng
uncontrolled
copper-bearing minerals
eng
uncontrolled
UVR
eng
uncontrolled
PCA
eng
uncontrolled
PLSR
Geowissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/58474/zmnr1311.pdf
57625
2023
2023
2023
eng
xvi, 175
doctoralthesis
1
2023-02-16
2023-02-16
2023-01-10
Carbon nitride incorporation in polymer networks
Inkorporation von Kohlenstoffnitrid in Polymernetzwerke
The urge of light utilization in fabrication of materials is as encouraging as challenging. Steadily increasing energy consumption in accordance with rapid population growth, is requiring a corresponding solution within the same rate of occurrence speed. Therefore, creating, designing and manufacturing materials that can interact with light and in further be applicable as well as disposable in photo-based applications are very much under attention of researchers. In the era of sustainability for renewable energy systems, semiconductor-based photoactive materials have received great attention not only based on solar and/or hydrocarbon fuels generation from solar energy, but also successful stimulation of photocatalytic reactions such as water splitting, pollutant degradation and organic molecule synthesisThe turning point had been reached for water splitting with an electrochemical cell consisting of TiO2-Pt electrode illuminated by UV light as energy source rather than an external voltage, that successfully pursued water photolysis by Fujishima and Honda in 1972. Ever since, there has been a great deal of interest in research of semiconductors (e.g. metal oxide, metal-free organic, noble-metal complex) exhibiting effective band gap for photochemical reactions. In the case of environmental friendliness, toxicity of metal-based semiconductors brings some restrictions in possible applications. Regarding this, very robust and ‘earth-abundant’ organic semiconductor, graphitic carbon nitride has been synthesized and successfully applied in photoinduced applications as novel photocatalyst. Properties such as suitable band gap, low charge carrier recombination and feasibility for scaling up, pave the way of advance combination with other catalysts to gather higher photoactivity based on compatible heterojunction.
This dissertation aims to demonstrate a series of combinations between organic semiconductor g-CN and polymer materials that are forged through photochemistry, either in synthesis or in application. Fabrication and design processes as well as applications performed in accordance to the scope of thesis will be elucidated in detail. In addition to UV light, more attention is placed on visible light as energy source with a vision of more sustainability and better scalability in creation of novel materials and solar energy based applications.
Die Nutzung von Licht bei der Herstellung von Materialien ist ebenso vielversprechend wie herausfordernd. Der stetig steigende Energieverbrauch in Kombination mit dem rasanten Bevölkerungswachstum erfordert Lösungen in der entsprechenden Geschwindigkeit. Daher stehen Materialien, die mit Licht interagieren können und darüber hinaus in fotobasierten Anwendungen einsetzbar sind, im Mittelpunkt des Interesses der Forscher. In der Ära der Nachhaltigkeit und erneuerbarer Energiesysteme haben halbleiterbasierte photoaktive Materialien nicht nur aufgrund der Erzeugung von Solarenergie oder der Herstellung von Brennstoffen aus Sonnenenergie große Aufmerksamkeit erhalten, sondern auch aufgrund des erfolgreichen Einsatzes in photokatalytischen Reaktionen wie zum Beispiel der Wasserspaltung, des Schadstoffabbaus und der Synthese organischer Moleküle. Die Wasserspaltung mit einer elektrochemischen Zelle führte hier zu einem Wendepunkt in der Forschung. Die Zelle bestand aus einer TiO2-Pt-Elektrode, welche mit UV-Licht als Energiequelle anstatt einer sonst üblichen externen Spannung betrieben wurde. 1972 führten Fujishima und Honda somit erfolgreich die Photolyse von Wasser durch. Seitdem besteht ein großes Interesse an der Erforschung von Halbleitern (z. B. Metalloxide, metallfreie organische Stoffe, Edelmetallkomplexe), die eine effektive Bandlücke für photochemische Reaktionen aufweisen. Was jedoch die Umweltfreundlichkeit anbelangt, so bringt die Toxizität von Halbleitern auf Metallbasis einige Einschränkungen mit sich. Um diese Toxizität zu vermeiden wurde der sehr robuste und bezüglich seiner Ausgangsstoffe häufig vorkommende organische Halbleiter Graphitkohlenstoffnitrid synthetisiert und erfolgreich in photoinduzierten Anwendungen als neuartiger Photokatalysator eingesetzt. Eigenschaften wie eine geeignete Bandlücke, geringe Ladungsträgerrekombination und die Möglichkeit der Skalierung ebnen somit den Weg für Kombinationen mit anderen Katalysatoren, um eine höhere Photoaktivität auf der Grundlage einer kompatiblen Heteroverbindung zu erreichen.
Diese Dissertation zielt darauf ab, eine Reihe von Kombinationen zwischen dem organischen Halbleitern g-CN und Polymermaterialien zu demonstrieren. Diese werden entweder durch photochemische Reaktionen synthetisiert oder in solchen angewendet. Die Herstellungs- und Designprozesse sowie die Anwendungen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, werden im Detail erläutert. Neben UV-Licht wird auch dem sichtbarem Licht als Energiequelle mehr Aufmerksamkeit gewidmet. Durch die Verwendung von sichtbaren Licht können die Materialen in solarenergetischen Anwendungen genutzt werden und die Nachhaltigkeit und Skalierbarkeit der Materialien wird verbessert.
light-driven integration and utilization of graphitic carbon nitride into macroscale polymeric networks
10.25932/publishup-57625
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-576253
online registration
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Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VK 8007, VK 8257, UV 9555
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Cansu Esen
eng
uncontrolled
polymer chemistry
deu
uncontrolled
Polymerchemie
eng
uncontrolled
carbon nitride
deu
uncontrolled
Kohlenstoffnitriden
eng
uncontrolled
heterogeneous photocatalysis
deu
uncontrolled
heterogene Photokatalyse
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/57625/cansu_diss.pdf
57739
2023
2023
2023
eng
153
doctoralthesis
1
2023-02-16
2023-02-16
2023-01-13
Nitrogen-doped carbonaceous materials for energy and catalysis
Facing the environmental crisis, new technologies are needed to sustain our society. In this context, this thesis aims to describe the properties and applications of carbon-based sustainable materials. In particular, it reports the synthesis and characterization of a wide set of porous carbonaceous materials with high nitrogen content obtained from nucleobases. These materials are used as cathodes for Li-ion capacitors, and a major focus is put on the cathode preparation, highlighting the oxidation resistance of nucleobase-derived materials. Furthermore, their catalytic properties for acid/base and redox reactions are described, pointing to the role of nitrogen speciation on their surfaces. Finally, these materials are used as supports for highly dispersed nickel loading, activating the materials for carbon dioxide electroreduction.
Angesichts der Umweltkrise werden neue Technologien benötigt, um unsere Gesellschaft zu erhalten. In diesem Zusammenhang zielt diese Arbeit darauf ab, die Eigenschaften und Anwendungen von nachhaltigen Materialien auf Kohlenstoffbasis zu untersuchen. Insbesondere wird über die Synthese und Charakterisierung eines breiten Spektrums poröser, kohlenstoffhaltiger Materialien berichtet, welche einen hohen Stickstoffgehalt, besitzen und aus Nukleobasen gewonnen werden. Diese Materialien werden als Kathoden für Li-Ionen-Kondensatoren verwendet, wobei der Schwerpunkt auf der Kathodenherstellung liegt und die Oxidationsbeständigkeit, der aus Nukleobasen gewonnenen Materialien, hervorgehoben wird. Darüber hinaus werden ihre katalytischen Eigenschaften für Säure/Base- und Redoxreaktionen beschrieben, wobei die Rolle der Speziierung des Stickstoffs auf ihren Oberflächen hervorgehoben wird. Schließlich werden diese Materialien als Träger für eine hochdisperse Beladung mit Nickel verwendet, wodurch die Materialien für die Kohlendioxid Elektroreduktion aktiviert werden.
10.25932/publishup-57739
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577390
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Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VN 6057, ZN 8730
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Enrico Lepre
eng
uncontrolled
heteroatom-doped carbons
deu
uncontrolled
heteroatom-dotierte Kohlenstoffe
eng
uncontrolled
porous materials
deu
uncontrolled
poröse Materialien
eng
uncontrolled
salt melt templating
deu
uncontrolled
Salzschmelze-Templating
eng
uncontrolled
heterogeneous catalysis
deu
uncontrolled
heterogene Katalyse
eng
uncontrolled
single-atom catalysis
deu
uncontrolled
Einzelatomkatalyse
eng
uncontrolled
Li-ion capacitor
deu
uncontrolled
Li-Ionen-Kondensator
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Extern
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/57739/lepre_diss.pdf
57716
2023
2023
2022
eng
xiv, 260
doctoralthesis
1
2023-02-16
2023-02-16
2022-12-16
Thermoresponsive polymers with co-nonsolvency behavior
Thermoresponsive Polymere mit "Co-Nonsolvency" Verhalten
Despite the popularity of thermoresponsive polymers, much is still unknown about their behavior, how it is triggered, and what factors influence it, hindering the full exploitation of their potential. One particularly puzzling phenomenon is called co-nonsolvency, in which a polymer is soluble in two individual solvents, but counter-intuitively becomes insoluble in mixtures of both. Despite the innumerous potential applications of such systems, including actuators, viscosity regulators and as carrier structures, this field has not yet been extensively studied apart from the classical example of poly(N isopropyl acrylamide) (PNIPAM) in mixtures of water and methanol. Therefore, this thesis focuses on evaluating how changes in the chemical structure of the polymers impact the thermoresponsive, aggregation and co-nonsolvency behaviors of both homopolymers and amphiphilic block copolymers. Within this scope, both the synthesis of the polymers and their characterization in solution is investigated. Homopolymers were synthesized by conventional free radical polymerization, whereas block copolymers were synthesized by consecutive reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerizations. The synthesis of the monomers N isopropyl methacrylamide (NIPMAM) and N vinyl isobutyramide (NVIBAM), as well as a few chain transfer agents is also covered. Through turbidimetry measurements, the thermoresponsive and co-nonsolvency behavior of PNIPMAM and PNVIBAM homopolymers is then compared to the well-known PNIPAM, in aqueous solutions with 9 different organic co-solvents. Additionally, the effects of end-groups, molar mass, and concentration are investigated. Despite the similarity of their chemical structures, the 3 homopolymers show significant differences in transition temperatures and some divergences in their co-nonsolvency behavior. More complex systems are also evaluated, namely amphiphilic di- and triblock copolymers of PNIPAM and PNIPMAM with polystyrene and poly(methyl methacrylate) hydrophobic blocks. Dynamic light scattering is used to evaluate their aggregation behavior in aqueous and mixed aqueous solutions, and how it is affected by the chemical structure of the blocks, the chain architecture, presence of cosolvents and polymer concentration. The results obtained shed light into the thermoresponsive, co-nonsolvency and aggregation behavior of these polymers in solution, providing valuable information for the design of systems with a desired aggregation behavior, and that generate targeted responses to temperature and solvent mixture changes.
Trotz der Popularität thermoresponsiver Polymere ist noch vieles über ihr Verhalten, sowie dessen Auslöser und Einflüsse darauf unbekannt, was die volle Nutzung ihres Potenzials behindert. Ein besonders ungewöhnliches Phänomen ist die so genannte Co-Nonsolvency, bei der ein Polymer in zwei reinen Lösungsmitteln löslich ist, aber in Mischungen aus beiden unlöslich wird. Trotz der zahlreichen potenziellen Anwendungen solcher Systeme, wie z.B. Aktuatoren, Viskositätsregulatoren und als Transportmedien, ist dieses Feld, abgesehen vom klassischen Beispiel von Poly(N isopropylacrylamid) (PNIPAM) in Mischungen aus Wasser und Methanol, bisher nicht umfassend untersucht worden. Diese Arbeit untersucht daher, welche Auswirkungen die chemische Struktur der Polymere auf das thermoresponsive, Aggregations- und Co-Nonsolvency Verhalten sowohl von Homopolymeren als auch von amphiphilen Blockcopolymeren hat. Dazu wurden sowohl die Synthese der Polymere als auch deren Verhalten in Lösung untersucht. Die Homopolymere wurden durch konventionelle radikalische Polymerisation hergestellt, wogegen die Blockcopolymere durch konsekutive Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer Polymerisationen (RAFT) synthetisiert wurden. Die Synthese der Monomere N-Isopropylmethacrylamid (NIPMAM) und N Vinylisobutyramid (NVIBAM) sowie einiger Kettenüberträger wird ebenfalls beschrieben. Mittels Trübungs-Messungen wird das thermoresponsive und Co-Nonsolvency Verhalten von PNIPMAM- und PNVIBAM-Homopolymeren mit dem bekannten PNIPAM in wässrigen Lösungen mit 9 verschiedenen organischen Co-Lösungsmitteln verglichen. Außerdem werden die Auswirkungen der Endgruppen, der Molmasse und der Konzentration der Polymere diskutiert. Trotz der Ähnlichkeit ihrer chemischen Strukturen zeigen die drei Homopolymere signifikante Unterschiede bei den Übergangstemperaturen und einige Divergenzen in ihrem Co-Nonsolvency Verhalten. Es wurden auch komplexere Systeme untersucht, nämlich amphiphile Di- und Triblock-Copolymere von PNIPAM und PNIPMAM mit hydrophoben Blöcken aus Polystyrol und Polymethylmethacrylat. Mittels dynamischer Lichtstreuung wird ihr Aggregationsverhalten in wässrigen und gemischten wässrigen Lösungen bewertet und untersucht, wie es von der chemischen Struktur der Blöcke, der Kettenarchitektur, den Co-Lösungsmitteln und der Polymerkonzentration beeinflusst wird. Die Ergebnisse dokumentieren das thermoresponsive, Co-Nonsolvency und Aggregationsverhalten dieser Polymere in Lösung und liefern wertvolle Informationen für die Entwicklung von Systemen mit einem gewünschten Aggregationsverhalten, die gezielt auf Temperatur- und Lösungsmittelgemischänderungen reagieren.
10.25932/publishup-57716
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577161
online registration
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VK 8007, UV 6000
Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
Cristiane Henschel
eng
uncontrolled
thermoresponsive polymer
eng
uncontrolled
co-nonsolvency
eng
uncontrolled
amphiphilic block copolymer
eng
uncontrolled
poly(N-isopropyl acrylamide)
eng
uncontrolled
poly(N-isopropyl methacrylamide)
eng
uncontrolled
poly(N-vinyl isobutyramide)
eng
uncontrolled
lower critical solution temperature
eng
uncontrolled
phase transition
deu
uncontrolled
amphiphile Blockcopolymere
deu
uncontrolled
Co-Nonsolvency
deu
uncontrolled
untere kritische Lösungstemperatur
deu
uncontrolled
Phasenübergang
deu
uncontrolled
Poly(N-Isopropylacrylamid)
deu
uncontrolled
Poly(N-Isopropylmethacrylamid)
deu
uncontrolled
Poly(N-Vinylisobutyramid)
deu
uncontrolled
thermoresponsive Polymere
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/57716/henschel_diss.pdf
57424
2022
2022
eng
XVII, 217
doctoralthesis
1
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--
2022-12-14
Glycomaterials: From synthesis of glycoconjugates to potential biomedical applications
Glykomaterialien: Von der Synthese von Glykokonjugaten zu potenziellen biomedizinischen Anwendungen
The importance of carbohydrate structures is enormous due to their ubiquitousness in our lives. The development of so-called glycomaterials is the result of this tremendous significance. These are not exclusively used for research into fundamental biological processes, but also, among other things, as inhibitors of pathogens or as drug delivery systems. This work describes the development of glycomaterials involving the synthesis of glycoderivatives, -monomers and -polymers. Glycosylamines were synthesized as precursors in a single synthesis step under microwave irradiation to significantly shorten the usual reaction time. Derivatization at the anomeric position was carried out according to the methods developed by Kochetkov and Likhorshetov, which do not require the introduction of protecting groups. Aminated saccharide structures formed the basis for the synthesis of glycomonomers in β-configuration by methacrylation. In order to obtain α-Man-based monomers for interactions with certain α-Man-binding lectins, a monomer synthesis by Staudinger ligation was developed in this work, which also does not require protective groups. Modification of the primary hydroxyl group of a saccharide was accomplished by enzyme-catalyzed synthesis. Ribose-containing cytidine was transesterified using the lipase Novozym 435 and microwave irradiation. The resulting monomer synthesis was optimized by varying the reaction partners. To create an amide bond instead of an ester bond, protected cytidine was modified by oxidation followed by amide coupling to form the monomer. This synthetic route was also used to isolate the monomer from its counterpart guanosine. After obtaining the nucleoside-based monomers, they were block copolymerized using the RAFT method. Pre-synthesized pHPMA served as macroCTA to yield cytidine- or guanosine-containing block copolymer. These isolated block copolymers were then investigated for their self-assembly behavior using UV-Vis, DLS and SEM to serve as a potential thermoresponsive drug delivery system.
Die Bedeutung von Kohlenhydratstrukturen ist immens, da sie in unserem Leben allgegenwärtig sind. Die Entwicklung sogenannter Glykomaterialien ist das Ergebnis dieser großen Bedeutung. Diese werden nicht nur zur Erforschung grundlegender biologischer Prozesse eingesetzt, sondern unter anderem auch als Hemmstoffe für Krankheitserreger oder als Wirkstofftransportsysteme. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Glycomaterialien durch die Synthese von Glycoderivaten, -monomeren und -polymeren. Glycosylamine wurden als Vorstufen in einem einzigen Syntheseschritt unter Mikrowellenbestrahlung synthetisiert, um die übliche Reaktionszeit deutlich zu verkürzen. Die Derivatisierung an der anomeren Position wurde nach den von Kochetkov und Likhorshetov entwickelten Methoden durchgeführt, die keine Einführung von Schutzgruppen erfordern. Die aminierten Saccharidstrukturen bildeten die Grundlage für die Synthese von Glycomonomeren in β-Konfiguration durch Methacrylierung. Um α-Man-basierte Monomere für Interaktionen mit bestimmten α-Man-bindenden Lektinen zu erhalten, wurde in dieser Arbeit eine Monomersynthese durch Staudinger-Ligation entwickelt, die ebenfalls keine Schutzgruppen erfordert. Die Modifizierung der primären Hydroxylgruppe eines Saccharids wurde durch enzymkatalysierte Synthese erreicht. Ribosehaltiges Cytidin wurde mit Hilfe der Lipase Novozym 435 und Mikrowellenbestrahlung umgeestert. Die resultierende Monomersynthese wurde durch Variation der Reaktionspartner optimiert. Um eine Amidbindung anstelle einer Esterbindung zu erzeugen, wurde geschütztes Cytidin durch Oxidation und anschließende Amidkupplung modifiziert, um das Monomer zu bilden. Dieser Syntheseweg wurde auch zur Isolierung des Monomers aus seinem Gegenstück Guanosin verwendet. Nach der Gewinnung der nukleosidbasierten Monomere wurden diese mit Hilfe der RAFT-Methode blockcopolymerisiert. Vorsynthetisiertes pHPMA diente als MakroCTA, um Cytidin- oder Guanosin-haltige Blockcopolymere zu erhalten. Diese isolierten Blockcopolymere wurden dann mit UV-Vis, DLS und SEM auf ihr Selbstorganisationsverhalten untersucht, um als potenzielles thermoresponsives Drug-Delivery-System zu dienen.
10.25932/publishup-57424
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-574240
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
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Sany Chea
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uncontrolled
polymer chemistry
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glyco chemistry
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glycomonomer
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glycopolymer
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lectin
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drug delivery
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thermoresponsive
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glycoconjugate
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Glykochemie
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Glykokonjugat
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Glykomonomer
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Glykopolymer
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Lektin
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Polymerchemie
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thermoresponsiv
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Drug Delivery
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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57271
2022
2022
eng
iv, 113
doctoralthesis
1
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2022-12-15
Ink-based preparation of chalcogenide perovskites as thin films for PV applications
Präparation von Chalkogeniden Perowskiten auf Basis von molekularer Tinte als Dünnschichten für PV Anwendungen
The increasing demand for energy in the current technological era and the recent political decisions about giving up on nuclear energy diverted humanity to focus on alternative environmentally friendly energy sources like solar energy. Although silicon solar cells are the product of a matured technology, the search for highly efficient and easily applicable materials is still ongoing. These properties made the efficiency of halide perovskites comparable with silicon solar cells for single junctions within a decade of research. However, the downside of halide perovskites are poor stability and lead toxicity for the most stable ones.
On the other hand, chalcogenide perovskites are one of the most promising absorber materials for the photovoltaic market, due to their elemental abundance and chemical stability against moisture and oxygen. In the search of the ultimate solar absorber material, combining the good optoelectronic properties of halide perovskites with the stability of chalcogenides could be the promising candidate.
Thus, this work investigates new techniques for the synthesis and design of these novel chalcogenide perovskites, that contain transition metals as cations, e.g., BaZrS3, BaHfS3, EuZrS3, EuHfS3 and SrHfS3. There are two stages in the deposition techniques of this study: In the first stage, the binary compounds are deposited via a solution processing method. In the second stage, the deposited materials are annealed in a chalcogenide atmosphere to form the perovskite structure by using solid-state reactions.
The research also focuses on the optimization of a generalized recipe for a molecular ink to deposit precursors of chalcogenide perovskites with different binaries. The implementation of the precursor sulfurization resulted in either binaries without perovskite formation or distorted perovskite structures, whereas some of these materials are reported in the literature as they are more favorable in the needle-like non-perovskite configuration.
Lastly, there are two categories for the evaluation of the produced materials: The first category is about the determination of the physical properties of the deposited layer, e.g., crystal structure, secondary phase formation, impurities, etc. For the second category, optoelectronic properties are measured and compared to an ideal absorber layer, e.g., band gap, conductivity, surface photovoltage, etc.
Der stetig wachsende Energieverbrauch in der aktuellen technologischen Ära und die kürzliche Entscheidung der Politik auf Nuklearenergie zu verzichten hat die Menschheit dazu geleitet sich auf alternative umweltfreundliche Energiequellen wie Solare Energie zu fokussieren. Obwohl Silizium Solarzellen das Produkt einer ausgereiften Technologie sind geht die Suche nach hocheffizienten Materialien, die einfach umzusetzen sind weiter. Diese Eigenschaften führten zur Vergleichbarkeit von Halogeniden Perowskiten mit Silizium in Einfachsolarzellen innerhalb eines Jahrzehnts der Forschung. Allerdings mangelt es bei Halogeniden Perowskiten an Stabilität und jene stabile haben eine Blei-Toxizität.
Andererseits bieten Chalkogenide Perowskite aussichtsreiche Eigenschaften als Absorber Materialien für den Photovoltaik Markt auf Grund des hohen Vorkommens der Elemente auf dem Planeten und ihrer chemischen Stabilität in Luft. Auf der Suche nach dem ultimativen Absorber Material für Solarzellen könnte sich eine Kombination der guten optoelektronischen Eigenschaften von Halogeniden Perowskiten mit der Stabilität von Chalkogeniden als guter Kandidat herausstellen.
Infolgedessen untersucht diese Arbeit neue Methoden für die Synthese und das Design dieser neuartigen Chalkogeniden Perowskite, welche Übergangsmetalle als Kationen enthalten, z.B. BaZrS3, BaHfS3, EuZrS3, EuHfS3 and SrHfS3. Es gibt zwei Schritte in den Methoden der Deposition in dieser Untersuchung: Im ersten Schritt werden die binären Verbindungen durch eine Lösungsmittelprozessierung auf dem Substrat aufgebracht. Daraufhin wird im zweiten Schritt das aufgetragene Material in einer Chalkogeniden Atmosphäre getempert, um die Perowskit Struktur durch Festkörperreaktion zu bilden.
Die Untersuchung fokussiert sich außerdem auf die Optimierung eines generalisierten Rezeptes für molekulare Tinte zur Deposition eines Präkursors aus unterschiedlichen binären Verbindungen. Die Implementierung der Präkursor Schwefelung führt entweder zu einer Formation der binären Verbindungen ohne Perowskit Struktur oder in der verzerrten Perowskit Struktur, obwohl für manche dieser Materialien laut Literatur die nadelförmige nicht-Perowskit Struktur günstiger sein sollte.
Zuletzt gibt es zwei Kategorien für die Evaluierung der hergestellten Materialien: Die erste Kategorie behandelt die Determinierung der physikalischen Eigenschaften der deponierten Dünnschicht, z.B. Kristallstruktur, Sekundärphasen, Unreinheiten. In der zweiten Kategorie werden die optoelektronischen Eigenschaften gemessen und mit einem idealen Absorber verglichen, z.B. Bandlücke, Leitfähigkeit, Oberflächen Photospannung, etc.
10.25932/publishup-57271
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-572711
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VE 9857, VE 6307, UP 3130, ZN 5160, ZP 3730
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Ibrahim Simsek
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uncontrolled
chalcogenide
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uncontrolled
perovskite
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uncontrolled
Perowskite
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uncontrolled
Chalkogenide
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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57520
2023
2023
eng
151
doctoralthesis
1
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2023-01-03
Multiresponsive complex emulsions: Concepts for the design of active and adaptive liquid colloidal systems
Multiresponsive komplexe Emulsionen: Konzepte für das Design von aktiven und adaptiven flüssig-kolloidalen Systemen
Complex emulsions are dispersions of kinetically stabilized multiphasic emulsion droplets comprised of two or more immiscible liquids that provide a novel material platform for the generation of active and dynamic soft materials. In recent years, the intrinsic reconfigurable morphological behavior of complex emulsions, which can be attributed to the unique force equilibrium between the interfacial tensions acting at the various interfaces, has become of fundamental and applied interest. As such, particularly biphasic Janus droplets have been investigated as structural templates for the generation of anisotropic precision objects, dynamic optical elements or as transducers and signal amplifiers in chemo- and bio-sensing applications. In the present thesis, switchable internal morphological responses of complex droplets triggered by stimuli-induced alterations of the balance of interfacial tensions have been explored as a universal building block for the design of multiresponsive, active, and adaptive liquid colloidal systems. A series of underlying principles and mechanisms that influence the equilibrium of interfacial tensions have been uncovered, which allowed the targeted design of emulsion bodies that can alter their shape, bind and roll on surfaces, or change their geometrical shape in response to chemical stimuli. Consequently, combinations of the unique triggerable behavior of Janus droplets with designer surfactants, such as a stimuli-responsive photosurfactant (AzoTAB) resulted for instance in shape-changing soft colloids that exhibited a jellyfish inspired buoyant motion behavior, holding great promise for the design of biological inspired active material architectures and transformable soft robotics.
In situ observations of spherical Janus emulsion droplets using a customized side-view microscopic imaging setup with accompanying pendant dropt measurements disclosed the sensitivity regime of the unique chemical-morphological coupling inside complex emulsions and enabled the recording of calibration curves for the extraction of critical parameters of surfactant effectiveness. The deduced new "responsive drop" method permitted a convenient and cost-efficient quantification and comparison of the critical micelle concentrations (CMCs) and effectiveness of various cationic, anionic, and nonionic surfactants. Moreover, the method allowed insightful characterization of stimuli-responsive surfactants and monitoring of the impact of inorganic salts on the CMC and surfactant effectiveness of ionic and nonionic surfactants. Droplet functionalization with synthetic crown ether surfactants yielded a synthetically minimal material platform capable of autonomous and reversible adaptation to its chemical environment through different supramolecular host-guest recognition events. Addition of metal or ammonium salts resulted in the uptake of the resulting hydrophobic complexes to the hydrocarbon hemisphere, whereas addition of hydrophilic ammonium compounds such as amino acids or polypeptides resulted in supramolecular assemblies at the hydrocarbon-water interface of the droplets. The multiresponsive material platform enabled interfacial complexation and
thus triggered responses of the droplets to a variety of chemical triggers including metal ions, ammonium compounds, amino acids, antibodies, carbohydrates as well as amino-functionalized solid surfaces.
In the final chapter, the first documented optical logic gates and combinatorial logic circuits based on complex emulsions are presented. More specifically, the unique reconfigurable and multiresponsive properties of complex emulsions were exploited to realize droplet-based logic gates of varying complexity using different stimuli-responsive surfactants in combination with diverse readout methods. In summary, different designs for multiresponsive, active, and adaptive liquid colloidal systems were presented and investigated, enabling the design of novel transformative chemo-intelligent soft material platforms.
Komplexe Emulsionen sind Dispersionen kinetisch stabilisierter mehrphasiger Emulsionströpfchen, die aus zwei oder mehreren nicht mischbaren Flüssigkeiten bestehen und eine neuartige Materialplattform für die Herstellung aktiver und dynamischer weicher Materialien darstellen. In den letzten Jahren haben komplexe Emulsionen aufgrund ihres intrinsisch rekonfigurierbaren morphologischen Verhaltens, dass auf ein einzigartiges Kräftegleichgewicht zwischen den an den verschiedenen Grenzflächen wirkenden Grenzflächenspannungen zurückzuführen ist, zunehmendes wissenschaftliches Interesse erfahren. So wurden insbesondere zweiphasige Janus-Tropfen als strukturelle Vorlagen für die Erzeugung anisotroper Präzisionsobjekte, dynamischer optischer Elemente oder als Wandler und Signalverstärker in Chemo- und Bio-Sensorik-Anwendungen untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurden schaltbare interne morphologische Veränderungen komplexer Tröpfchen erforscht, die durch Stimulus-induzierte Verschiebungen des Grenzflächenspannungsgleichgewichts ausgelöst werden. Diese können als universelle Bausteine für das Design multiresponsiver, aktiver und adaptiver flüssiger kolloidaler Systeme dienen. Es wurde eine Reihe von grundlegenden Prinzipien und Mechanismen zur Beeinflussung des Grenzflächenspannungsgleichgewichtes erforscht, die die gezielte Entwicklung von formverändernden, sich an Oberflächen bindenden und in Reaktion auf chemische Stimuli verändernden Emulsionskörpern ermöglicht. Die Kombination des einzigartigen responsiven Verhaltens von Janus-Tropfen mit maßgeschneiderten Tensiden erlaubt die Erschließung von biologisch inspirierten aktiven Materialarchitekturen. So führte beispielsweise die Funktionalisierung von Janus-Tropfen mit einem photo-responsiven Tensid (AzoTAB) zu formverändernden weichen Kolloiden, die ein von Quallen inspiriertes Schwimmverhalten zeigten und damit vielversprechend für die Anwendung im Forschungsfeld der transformierbaren „soft-robotics“ sind.
Die In-situ-Beobachtung von sphärischen Janus-Emulsionströpfchen mit einem Seitenansichts-Mikroskop und begleitenden Pendant-Drop-Messungen ermöglichten es das Empfindlichkeitsregime der einzigartigen chemisch-morphologischen Kopplung innerhalb komplexer Emulsionen offenzulegen. Die resultierende Kalibrierungskurve erlaubt die Extraktion von kritischen Parametern der Tensidwirksamkeit. Die daraus abgeleitete neue "responsive drop"-Methode ermöglicht eine einfache, kosteneffiziente Quantifizierung der kritischen Mizellenkonzentrationen (CMCs) und einen Vergleich der Wirksamkeit verschiedener kationischer, anionischer und nichtionischer Tenside. Darüber hinaus ermöglichte die Methode eine aufschlussreiche Charakterisierung Stimuli-responsiver Tenside und die Überwachung des Einflusses anorganischer Salze auf die CMC und die Tensidwirksamkeit ionischer und nichtionischer Tenside. Die Funktionalisierung von Tröpfchen mit synthetischen Kronenether-Tensiden führte zu einer synthetisch minimalen Materialplattform, die in der Lage ist, sich durch verschiedene supramolekulare Wirts-Gast-Erkennungsereignisse selbständig und reversibel an ihre chemische Umgebung anzupassen. Die Zugabe von Metall- oder Ammoniumsalzen hatte eine Aufnahme der resultierenden hydrophoben Komplexe in die Kohlenwasserstoff-Hemisphäre zur Folge, während die Zugabe von hydrophilen Ammoniumverbindungen wie Aminosäuren oder Polypeptiden zu supramolekularen Assemblierungen an der Kohlenwasserstoff-Wasser-Grenzfläche der Tröpfchen führte. Die multiresponsive Materialplattform ermöglicht die Grenzflächenkomplexierung und damit die morphologische Reaktion der Tröpfchen auf eine Vielzahl von chemischen Triggern, darunter Metallionen, Ammoniumverbindungen, Aminosäuren, Antikörper, Kohlenhydrate sowie aminofunktionalisierte feste Oberflächen.
Im letzten Kapitel werden die ersten dokumentierten optischen Logikgatter und kombinatorischen Logikschaltungen auf der Grundlage von komplexen Emulsionen vorgestellt. Zur Realisierung von Tropfen-basierten Logikgattern unterschiedlicher Komplexität wurden die einzigartigen rekonfigurierbaren und multiresponsiven Eigenschaften komplexer Emulsionen ausgenutzt. Dabei wurden Stimuli-responsive Tenside in Kombination mit unterschiedlichen Auslesemethoden verwendet. Zusammenfassend wurden verschiedene Designs für multiresponsive, aktive und adaptive flüssige kolloidale Systeme vorgestellt und untersucht, die die Entwicklung neuartiger chemo-intelligenter weicher Materialplattformen ermöglichen.
10.25932/publishup-57520
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-575203
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Dissertation, Universität Potsdam, 2023
VE 8007
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Saveh Arman Djalali
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uncontrolled
complex emulsion
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emulsion
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multiresponsive
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komplexe Emulsion
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multiresponsiv
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57145
2022
2022
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xiv, 108
doctoralthesis
1
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2022-12-02
Digital tools and bioinspiration for the implementation in science and medicine
Digitale Werkzeuge und Bioinspiration für die Umsetzung in der Wissenschaft und der Medizin
Diese Doktorarbeit untersucht anhand dreier Beispiele, wie digitale Werkzeuge wie Programmierung, Modellierung, 3D-Konstruktions-Werkzeuge und additive Fertigung in Verbindung mit einer auf Biomimetik basierenden Design\-strategie zu neuen Analysemethoden und Produkten führen können, die in Wissenschaft und Medizin Anwendung finden.
Das Verfahren der Funkenerosion (EDM) wird häufig angewandt, um harte Metalle zu verformen oder zu formen, die mit normalen Maschinen nur schwer zu bearbeiten sind. In dieser Arbeit wird eine neuartige Krümmungsanalysemethode als Alternative zur Rauheitsanalyse vorgestellt. Um besser zu verstehen, wie sich die Oberfläche während der Bearbeitungszeit des EDM-Prozesses verändert, wurde außerdem ein digitales Schlagmodell erstellt, das auf einem ursprünglich flachen Substrat Krater auf Erhebungen erzeugte. Es wurde festgestellt, dass ein Substrat bei etwa 10.000 Stößen ein Gleichgewicht erreicht. Die vorgeschlagene Krümmungsanalysemethode hat das Potenzial, bei der Entwicklung neuer Zellkultursubstrate für die Stammzellenforschung eingesetzt zu werden. Zwei Arten, die in dieser Arbeit aufgrund ihrer interessanten Mechanismen analysiert wurden, sind die Venusfliegenfalle und der Bandwurm. Die Venusfliegenfalle kann ihr Maul mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit schließen. Der Schließmechanismus kann für die Wissenschaft interessant sein und ist ein Beispiel für ein so genanntes mechanisch bi-stabiles System - es gibt zwei stabile Zustände. Der Bandwurm ist bei Säugetieren meist im unteren Darm zu finden und heftet sich mit seinen Saugnäpfen an die Darmwände. Wenn der Bandwurm eine geeignete Stelle gefunden hat, stößt er seine Haken aus und heftet sich dauerhaft an die Wand. Diese Funktion könnte in der minimalinvasiven Medizin genutzt werden, um eine bessere Kontrolle der Implantate während des Implantationsprozesses zu ermöglichen. Für beide Projekte wurde ein mathematisches Modell, das so genannte Chained Beam Constraint Model (CBCM), verwendet, um das nichtlineare Biegeverhalten zu modellieren und somit vorherzusagen, welche Strukturen ein mechanisch bi-stabiles Verhalten aufweisen könnten. Daraufhin konnten zwei Prototypen mit einem 3D-Drucker gedruckt und durch Experimente veranschaulicht werden, dass sie beide ein bi-stabiles Verhalten aufweisen. Diese Arbeit verdeutlicht das hohe Anwendungspotenzial für neue Analysenmethoden in der Wissenschaft und für neue Medizinprodukte in der minimalinvasiven Medizin.
Biomimicry is the art of mimicking nature to overcome a particular technical or scientific challenge. The approach studies how evolution has found solutions to the most complex problems in nature. This makes it a powerful method for science. In combination with the rapid development of manufacturing and information technologies into the digital age, structures and material that were before thought to be unrealizable can now be created with simple sketch and the touch of a button. This doctoral thesis had as its primary goal to investigate how digital tools, such as programming, modelling, 3D-Design tools and 3D-Printing, with the help from biomimicry, could lead to new analysis methods in science and new medical devices in medicine.
The Electrical Discharge Machining (EDM) process is applied commonly to deform or mold hard metals that are difficult to work using normal machinery. A workpiece submerged in an electrolyte is deformed while being in close vicinity to an electrode. When high voltage is put between the workpiece and the electrode it will cause sparks that create cavitations on the substrate which in turn removes material and is flushed away by the electrolyte. Usually, such surfaces are analysed based on roughness, in this work another method using a novel curvature analysis method is presented as an alternative. In addition, to better understand how the surface changes during process time of the EDM process, a digital impact model was created which created craters on ridges on an originally flat substrate. These substrates were then analysed using the curvature analysis method at different processing times of the modelling. It was found that a substrate reaches an equilibrium at around 10000 impacts. The proposed curvature analysis method has potential to be used in the design of new cell culture substrates for stem cell.
The Venus flytrap can shut its jaws at an amazing speed. The shutting mechanism may be interesting to use in science and is an example of a so-called mechanical bi-stable system – there are two stable states. In this work two truncated pyramid structures were modelled using a non-linear mechanical model called the Chained Beam Constraint Model (CBCM). The structure with a slope angle of 30 degrees is not bi-stable and the structure with a slope angle of 45 degrees is bi-stable. Developing this idea further by using PEVA, which has a shape-memory effect, the structure which is not bi-stable could be programmed to be bi-stable and then turned off again. This could be used as an energy storage system. Another species which has interesting mechanism is the tapeworm. Some species of this animal has a crown of hooks and suckers located on its side. The parasite commonly is found in mammals in the lower intestine and attaches to the walls by using its suckers. When the tapeworm has found a suitable spot, it ejects its hooks and permanently attaches to the wall. This function could be used in minimally invasive medicine to have better control of implants during the implantation process. By using the CBCM model and a 3D-printer capable of tuning how hard or soft a printed part is, a design strategy was developed to investigate how one could create a device that mimics the tapeworm. In the end a prototype was created which was able attach to a pork loin at an under pressure of 20 kPa and to ejects its hooks at an under pressure of 50 kPa or above.
These three projects is an exhibit of how digital tools and biomimicry can be used together to come up with applicable solutions in science and in medicine.
10.25932/publishup-57145
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-571458
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VK 8007, VN 8907, UV 2200, WC 7000, WF 9780
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Johan Dag Valentin Bäckemo
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uncontrolled
bioinspiration
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uncontrolled
non-linear mechanics
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uncontrolled
modelling
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uncontrolled
shape-memory
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uncontrolled
additive manufacturing
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uncontrolled
Bioinspiration
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nichtlineare Mechanik
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uncontrolled
Modellierung
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uncontrolled
Formgedächtnis
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additive Fertigung
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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Institut für Chemie
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Universität Potsdam
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56721
2022
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viii, 171
doctoralthesis
1
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2022-11-08
Quantum vibrational dynamics in complex environments: from vibrational strong coupling in molecular cavity QED to phonon-induced adsorbate relaxation
Molecules are often naturally embedded in a complex environment. As a consequence, characteristic properties of a molecular subsystem can be substantially altered or new properties emerge due to interactions between molecular and environmental degrees of freedom. The present thesis is concerned with the numerical study of quantum dynamical and stationary properties of molecular vibrational systems embedded in selected complex environments.
In the first part, we discuss "strong-coupling" model scenarios for molecular vibrations interacting with few quantized electromagnetic field modes of an optical Fabry-Pérot cavity. We thoroughly elaborate on properties of emerging "vibrational polariton" light-matter hybrid states and examine the relevance of the dipole self-energy. Further, we identify cavity-induced quantum effects and an emergent dynamical resonance in a cavity-altered thermal isomerization model, which lead to significant suppression of thermal reaction rates. Moreover, for a single rovibrating diatomic molecule in an optical cavity, we observe non-adiabatic signatures in dynamics due to "vibro-polaritonic conical intersections" and discuss spectroscopically accessible "rovibro-polaritonic" light-matter hybrid states.
In the second part, we study a weakly coupled but numerically challenging quantum mechanical adsorbate-surface model system comprising a few thousand surface modes. We introduce an efficient construction scheme for a "hierarchical effective mode" approach to reduce the number of surface modes in a controlled manner. In combination with the multilayer multiconfigurational time-dependent Hartree (ML-MCTDH) method, we examine the vibrational adsorbate relaxation dynamics from different excited adsorbate states by solving the full non-Markovian system-bath dynamics for the characteristic relaxation time scale. We examine half-lifetime scaling laws from vibrational populations and identify prominent non-Markovian signatures as deviations from Markovian reduced system density matrix theory in vibrational coherences, system-bath entanglement and energy transfer dynamics.
In the final part of this thesis, we approach the dynamics and spectroscopy of vibronic model systems at finite temperature by formulating the ML-MCTDH method in the non-stochastic framework of thermofield dynamics. We apply our method to thermally-altered ultrafast internal conversion in the well-known vibronic coupling model of pyrazine. Numerically beneficial representations of multilayer wave functions ("ML-trees") are identified for different temperature regimes, which allow us to access thermal effects on both electronic and vibrational dynamics as well as spectroscopic properties for several pyrazine models.
Moleküle sind für gewöhnlich in komplexe Umgebungen eingebettet. In Folge werden charakteristische Eigenschaften des molekularen Subsystems durch Wechselwirkung mit Umgebungsfreitheitsgraden potentiell deutlich verändert. Die vorliegende Dissertation behandelt die numerische Untersuchung von quantendynamischen und stationären Eigenschaften molekularer Schwingungen unter dem Einfluss ausgewählter komplexer Umgebungen.
Im ersten Teil werden stark gekoppelte Modelsysteme betrachtet, die durch Wechselwirkung von molekulare Schwingungen mit wenigen quantisierten, elektromagnetischen Feldmoden einer Fabry-Pérot Kavität realisiert werden. Die Eigenschaften von Schwingungspolaritonen und die Relevanz der Dipolselbstenergie werden im Detail untersucht. Weiterhin werden quantenmechanische Effekte sowie ein dynamisches Resonanzphänomen in einem Modelsystem für thermische Isomerisierung unter dem Einfluss einer Kavität identifiziert, die zu signifikant reduzierten thermischen Reaktionsraten führen. Für ein frei rotierendes, schwingendes CO Molekül in einer Kavität finden sich nicht-adiabatische Signaturen in Form von schwingungspolaritonischen konischen Durchschneidungen sowie spektroskopisch identifizierbaren rovibratorischen Licht-Materie-Hybridzustände.
Im zweiten Teil wird ein schwach gekoppeltes, numerisch anspruchsvolles Adsorbat-Oberflächen-Model mit einigen tausend Oberflächenmoden diskutiert. Es wird ein numerisch effizientes Verfahren zur Konstruktion einer Hierarchie effektiver Moden vorgestellt, wodurch die Anzahl an Oberflächenmoden kontrolliert reduziert wird. In Kombination mit der "multilayer multiconfigurational time-dependent Hartree" (ML-MCTDH) Methode, wird der Relaxationsprozess der Adsorbatmode für verschiedene Anfangszustände durch Lösung der nicht-Markovschen System-Bad Dynamik auf der charakteristische Relaxationszeitskala untersucht. Skalierungsgesetze von Halbwertszeiten werden aus Schwingungspopulationen erhalten und prominente nicht-markovsche Signaturen in Schwingungskohärenzen, in System-Bad-Verschränkung und in der Energietransferdynamik werden durch Vergleich mit markovscher reduzierter Dichtematrixtheorie identifiziert. Im letzten Teil wird vibronische Dynamik bei endlichen Temperaturen untersucht und die ML-MCTDH Methode im Rahmen der nicht-stochastischen "Thermofield Theory" formuliert. Der thermisch beeinflusste, ultraschnelle interne Konversionsprozess in Pyrazin wird betrachtet. Numerisch effiziente Darstellungen der ML-MCTDH Wellenfunktionen für verschiedene Temperaturen werden vorgestellt und thermische Effekte auf Dynamik und Spektroskopie werden diskutiert.
10.25932/publishup-56721
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-567214
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VE 5747, VE 5657
CC-BY-NC - Namensnennung, nicht kommerziell 4.0 International
Eric Wolfgang Fischer
eng
uncontrolled
theoretical chemistry
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uncontrolled
theoretische Chemie
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uncontrolled
quantum dynamics
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uncontrolled
Quantendynamik
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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Institut für Chemie
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56363
2022
2022
eng
III, 150, V
doctoralthesis
1
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2022-10-04
Biofunctional polymers for medical applications
Biofunktionale Polymere für medizinische Anwendungen
Carbohydrates are found in every living organism, where they are responsible for numerous, essential biological functions and processes. Synthetic polymers with pendant saccharides, called glycopolymers, mimic natural glycoconjugates in their special properties and functions. Employing such biomimetics furthers the understanding and controlling of biological processes. Hence, glycopolymers are valuable and interesting for applications in the medical and biological field. However, the synthesis of carbohydrate-based materials can be very challenging. In this thesis, the synthesis of biofunctional glycopolymers is presented, with the focus on aqueous-based, protecting group free and short synthesis routes to further advance in the field of glycopolymer synthesis.
A practical and versatile precursor for glycopolymers are glycosylamines. To maintain biofunctionality of the saccharides after their amination, regioselective functionalization was performed. This frequently performed synthesis was optimized for different sugars. The optimization was facilitated using a design of experiment (DoE) approach to enable a reduced number of necessary experiments and efficient procedure. Here, the utility of using DoE for optimizing the synthesis of glycosylamines is discussed.
The glycosylamines were converted to glycomonomers which were then polymerized to yield biofunctional glycopolymers. Here, the glycopolymers were aimed to be applicable as layer-by-layer (LbL) thin film coatings for drug delivery systems. To enable the LbL technique, complimentary glycopolymer electrolytes were synthesized by polymerization of the glycomonomers and subsequent modification or by post-polymerization modification. For drug delivery, liposomes were embedded into the glycopolymer coating as potential cargo carriers. The stability as well as the integrity of the glycopolymer layers and liposomes were investigated at physiological pH range.
Different glycopolymers were also synthesized to be applicable as anti-adhesion therapeutics by providing advanced architectures with multivalent presentations of saccharides, which can inhibit the binding of pathogene lectins. Here, the synthesis of glycopolymer hydrogel particles based on biocompatible poly(N-isopropylacrylamide) (NiPAm) was established using the free-radical precipitation polymerization technique. The influence of synthesis parameters on the sugar content in the gels and on the hydrogel morphology is discussed. The accessibility of the saccharides to model lectins and their enhanced, multivalent interaction were investigated.
At the end of this work, the synthesis strategies for the glycopolymers are generally discussed as well as their potential application in medicine.
Kohlenhydrate sind in jedem Lebewesen zu finden, wo sie für zahlreiche, essenzielle biologische Funktionen und Prozesse verantwortlich sind. Synthetische Polymere, die Saccharide tragen, werden Glykopolymere genannt und können natürliche Glykokonjugate in ihren besonderen Eigenschaften und Funktionen nachahmen. Der Einsatz solcher Biomimetika fördert das Verständnis und die Kontrolle biologischer Prozesse. Daher sind Glykopolymere besonders interessant für Anwendungen im medizinischen und biologischen Bereich. Die Synthese von Materialien auf Kohlenhydratbasis kann jedoch eine große Herausforderung darstellen. In dieser Arbeit wird die Synthese biofunktioneller Glykopolymere vorgestellt, wobei der Schwerpunkt auf wässrigen, schutzgruppenfreien und kurzen Synthesewegen liegt, um weitere Fortschritte auf dem Gebiet der Glykopolymersynthese zu erzielen.
Ein praktisches und vielseitiges Ausgangsmaterial für Glykopolymere sind Glykosylamine. Um die Biofunktionalität der Saccharide nach deren Aminierung zu erhalten, wurde eine regioselektive Funktionalisierung durchgeführt. Diese häufig durchgeführte Synthese wurde für verschiedene Zucker optimiert. Die Optimierung wurde durch die Anwendung von statistischer Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE) vereinfacht, um die Anzahl der erforderlichen Experimente zu reduzieren und ein effizientes Verfahren zu ermöglichen. Hier wird der Nutzen des DoE-Ansatzes für die Optimierung der Synthese von Glykosylaminen diskutiert.
Die Glykosylamine wurden in Glykomonomere umgewandelt, die daraufhin polymerisiert wurden, um biofunktionelle Glykopolymere zu erhalten. Die Glykopolymere sollten als Layer-by-Layer (LbL)-Beschichtungen für Drug-Delivery-Systeme anwendbar sein. Um die LbL-Technik zu ermöglichen, wurden komplementäre Glykopolymerelektrolyte durch Polymerisation der Glykomonomere mit anschließender Modifkation oder durch Postpolymerisationsglykosylierung hergestellt. Für die Verabreichung von Arzneimitteln wurden Liposomen als potenzielle Wirkstoffcarrier in die Glykopolymerbeschichtung eingebettet. Die Stabilität sowie die Unversehrtheit der Glykopolymerschichten und Liposomen wurden im physiologischen pH-Bereich nachgewiesen.
Abschließend wurden verschiedene Glykopolymere synthetisiert, die als Anti-Adhäsions-Therapeutika anwendbar sein könnten, indem sie komplexe Architekturen mit multivalenter Präsentation von Sacchariden bereitstellen, welche die Bindung von Pathogenenlektinen hemmen können. Hier wurde die Synthese von Glykopolymer-Hydrogelpartikeln auf der Basis von biokompatiblem Poly(N-isopropylacrylamid) (NiPAm) mit Hilfe einer radikalischen Fällungspolymerisation etabliert. Der Einfluss der Syntheseparameter auf den Zuckergehalt in den Gelen und auf die Hydrogelmorphologie wurde diskutiert. Die Zugänglichkeit der Saccharide für Modell-Lektine und ihre verstärkte, multivalente Interaktion wurden untersucht.
Zum Abschluss dieser Arbeit werden die Synthesestrategien für die Glykopolymere sowie deren mögliche Anwendung in der Medizin allgemein diskutiert.
10.25932/publishup-56363
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-563639
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VK 8007, UV 9500
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Jo Sing Julia Tang
eng
uncontrolled
glycopolymers
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uncontrolled
Glykopolymere
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uncontrolled
glycoconjugates
deu
uncontrolled
Glykokonjugate
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uncontrolled
glycogels
deu
uncontrolled
Glykogele
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uncontrolled
layer-by-layer glycopolymer coating
deu
uncontrolled
Layer-by-Layer Glykopolymerbeschichtung
eng
uncontrolled
design of experiments
deu
uncontrolled
statistische Versuchsplanung (Design of Experiments)
eng
uncontrolled
glycopolymer electrolytes
deu
uncontrolled
Glykopolymer-Elektrolyt
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/56363/tang_diss.pdf
55958
2022
2022
2022
eng
viii, 115
doctoralthesis
1
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2022-08-15
Preparation, characterization and modification of oil loaded protein microcapsules and composite protein-mineral microcapsules
Diese Doktorarbeit behandelt die Synthese von Protein- und kompositen Protein-Mineral-Mikrokapseln durch die Anwendung von hochintensivem Ultraschall an der Öl-Wasser-Grenzfläche. Während ein System durch BSA-Moleküle stabilisiert wird, wird das andere System durch verschiedene mit BSA modifizierten Nanopartikeln stabilisiert. Sowohl von allen Synthesestufen als auch von den resultierenden Kapseln wurden umfassende Untersuchungen durchgeführt und eine plausible Erklärung für den Mechanismus der Kapselbildung wurde vorgestellt. Während der Bildung der BSA-Mikrokapseln adsorbieren die Proteinmoleküle als Erstes an der O/W-Grenzfläche, entfalten sich dort und bilden ein Netzwerk, das durch hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den benachbarten Molekülen stabilisiert wird. Gleichzeitig bewirkt die Ultraschallbehandlung die Quervernetzung der BSA-Moleküle über die Bildung von intermolekularen Disulfidbindungen. In dieser Doktorarbeit werden die experimentellen Nachweise für die durch Ultraschall induzierte Quervernetzung von BSA in den Schalen der proteinbasierten Mikrokapseln aufgezeigt. Deshalb wurde das Konzept, das vor vielen Jahren von Suslick und seinen Mitarbeitern vorgestellt wurde, zum ersten Mal durch experimentelle Nachweise bestätigt. Außerdem wurde ein konsistenter Mechanismus für die Bildung der intermolekularen Disulfidbindungen in der Kapselschale vorgestellt, der auf der Neuverteilung der Thiol- und Disulfidgruppen in BSA unter der Wirkung von hochenergetischem Ultraschall basiert. Auch die Bildung von kompositen Protein-Mineral-Mikrokapseln, die mit drei verschiedenen Ölen gefüllt wurden und deren Schalen aus Nanopartikeln bestehen, war erfolgreich. Die Beschaffenheit des Öls und die Art der Nanopartikel in der Schale hatten Einfluss auf die Größe und Form der Mikrokapseln. Die Untersuchung der kompositen Kapseln zeigte, dass die BSA-Moleküle, die an der Oberfläche der Nanopartikel in der Kapselschale adsorbiert sind, nicht durch intermolekulare Disulfidbindungen quervernetzt sind. Stattdessen findet die Bildung einer Pickering-Emulsion statt. Die Oberflächenmodifizierung der kompositen Mikrokapseln durch Vormodifizierung der Hauptbestandteile und auch durch Postmodifizierung der Oberfläche der fertigen kompositen Mikrokapseln wurde erfolgreich demonstriert. Zusätzlich wurden die mechanischen Eigenschaften beider Kapselarten verglichen. Dabei erwiesen sich die Protein-Mikrokapseln widerstandsfähiger gegenüber elastischer Deformation.
This thesis deals with the synthesis of protein and composite protein-mineral microcapsules by the application of high-intensity ultrasound at the oil-water interface. While one system is stabilized by BSA molecules, the other system is stabilized by different nanoparticles modified with BSA. A comprehensive study of all synthesis stages as well as of resulting capsules were carried out and a plausible explanation of the capsule formation mechanism was proposed. During the formation of BSA microcapsules, the protein molecules adsorb firstly at the O/W interface and unfold there forming an interfacial network stabilized by hydrophobic interactions and hydrogen bonds between neighboring molecules. Simultaneously, the ultrasonic treatment causes the cross-linking of the BSA molecules via the formation of intermolecular disulfide bonds. In this thesis, the experimental evidences of ultrasonically induced cross-linking of the BSA in the shells of protein-based microcapsules are demonstrated. Therefore, the concept proposed many years ago by Suslick and co-workers is confirmed by experimental evidences for the first time. Moreover, a consistent mechanism for the formation of intermolecular disulfide bonds in capsule shells is proposed that is based on the redistribution of thiol and disulfide groups in BSA under the action of high-energy ultrasound. The formation of composite protein-mineral microcapsules loaded with three different oils and shells composed of nanoparticles was also successful. The nature of the loaded oil and the type of nanoparticles in the shell, had influence on size and shape of the microcapsules. The examination of the composite capsule revealed that the BSA molecules adsorbed on the nanoparticles surface in the capsule shell are not cross-linked by intermolecular disulfide bonds. Instead, a Pickering emulsion formation takes place. The surface modification of composite microcapsules through both pre-modification of main components and also the post-modification of the surface of ready composite microcapsules was successfully demonstrated. Additionally, the mechanical properties of protein and composite protein-mineral microcapsules were compared. The results showed that the protein microcapsules are more resistant to elastic deformation.
Herstellung, Charakterisierung und Modifizierung von Öl-gefüllten Protein-Mikrokapseln und kompositen Protein-Mineral-Mikrokapseln
10.25932/publishup-55958
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559589
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VE 8007, VK 8567, VK 8527
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Ulrike Doering
eng
uncontrolled
Protein Microcapsules
deu
uncontrolled
Proteinmikrokapseln
eng
uncontrolled
Sonication
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uncontrolled
Beschallung
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uncontrolled
Pickering Emulsion
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uncontrolled
Pickering Emulsion
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uncontrolled
Colloid Chemistry
deu
uncontrolled
Kolloidchemie
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/55958/doering_diss.pdf
55974
2022
2022
2022
eng
IX, 96
doctoralthesis
1
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2022-04-20
Laser ablation and matter sizing
The doctoral thesis presented provides a comprehensive view of laser-based ablation techniques promoted to new fields of operation, including, but not limited to, size, composition, and concentration analyses. It covers various applications of laser ablation techniques over a wide range of sizes, from single molecules all the way to aerosol particles. The research for this thesis started with broadening and deepening the field of application and the fundamental understanding of liquid-phase IR-MALDI. Here, the hybridization of ion mobility spectrometry and microfluidics was realized by using IR-MALDI as the coupling technique for the first time. The setup was used for monitoring the photocatalytic performance of the E-Z isomerization of olefins. Using this hybrid, measurement times were so drastically reduced that such photocatalyst screenings became a matter of minutes rather than hours. With this on hand, triple measurements screenings could not only be performed within ten minutes, but also with a minimum amount of resources highlighting its potential as a green chemistry alternative to batch-sized reactions. Along the optimizing process of the IR-MALDI source for microfluidics came its application for another liquid sample supply method, the hanging drop. This demarcated one of the first applications of IR-MALDI for the charging of sub-micron particles directly from suspensions via their gas-phase transfer, followed by their characterization with differential mobility analysis. Given the high spectral quality of the data up to octuply charged particles became experimentally accessible, this laid the foundation for deriving a new charge distribution model for IR-MALDI in that size regime. Moving on to even larger analyte sizes, LIBS and LII were employed as ablation techniques for the solid phase, namely the aerosol particles themselves. Both techniques produce light-emitting events and were used to quantify and classify different aerosols. The unique configuration of stroboscopic imaging, photoacoustics, LII, and LIBS measurements opened new realms for analytical synergies and their potential application in industry. The concept of using low fluences, below 100 J/cm2, and high repetition rates of up to 500 Hz for LIBS makes for an excellent phase-selective LIBS setup. This concept was combined with a new approach to the photoacoustic normalization of LIBS. Also, it was possible to acquire statistically relevant amounts of data in a matter of seconds, showing its potential as a real-time optimization technique. On the same time axis, but at much lower fluences, LII was used with a similar methodology to quickly quantify and classify airborne particles of different compositions. For the first time, aerosol particles were evaluated on their LII susceptibility by using a fluence screening approach.
Die vorliegende kumulative Dissertation hat die lasergestützte Flüssig- und Festphasen-Ablation (Ab-
tragung) zur Molekül- und Partikelanalyse zur Grundlage. Mittels Infrarotstrahlung wurden die Analyten, vom molekularen bis zum Mikrometergröÿenbereich, in die Gasphase überführt, ionisiert oder geladen und anschließend durch spektrometrische beziehungsweise spektroskopische Analysemethoden identifiziert und quantifiziert. Eingangs wurden IR-MALDIs (infrared laser-assisted matrix dispersion ionization) Anwendungsbereiche als Kopplungsmethode etabliert sowie fundamentale Aspekte des Ionisationsprozesses innerhalb der IR-MALDI beleuchtet. Die als Kopplungsmethode eingesetzte IR-MALDI ermöglichte die erstmalige Zusammenführung eines Mikrochip-Reaktors mit einem Niederdruck-Ionenmobilitätsspektrometer. Dies geschah über die IR-MALDI eines vom Mikrochip ejektierten Flüssigkeitsmikrostrahls und wurde für die Verlaufsbeoachtung photokatalysierter Isomerisierungsreaktionen verwendet. Dieses hybride Konzept aus Mikrochip-Reaktor und Niederdruck-Ionenmobilitätsspektrometer hatte eine erhebliche Reduktion der benötigten Messzeit zur Folge. Die Messzeit konnte, im Vergleich zur mehrstündigen Verlaufsbeobachtung von Reaktionen im Kolben, auf nur wenige Minuten verringert werden. Hiermit war es nun also nicht nur möglich Dreifachmessungen innerhalb von nur zehn Minuten auszuführen, sondern es wurde auch nur ein kleinster Bruchteil der sonst üblichen Rohstoffe benötigt, was wiederum zeigt, welches Potential diese systemische Miniaturisierung für nachhaltige Chemie hat. Entlang der Entwicklung dieser Flüssigkeitsstrahlkopplung konnte IR-MALDI auch auf einen Aufbau mit hängendem Tropfen übertragen werden. Hierdurch kam es zu einer der ersten Gasphasenanalysen von Submikron-Partikeln direkt aus einer Suspension heraus. Nachdem diese durch IR-MALDI mit entsprechender Ladung versehen wurden, konnten sie mittels differentieller Mobilitätsanalyse charakterisiert werden. Durch die hohe spektrale Auflösung der Methode war eine eindeutige Zuordnung von bis zu acht Ladungen auf einem Partikel möglich. Folglich lieferte dies die Grundlage zur Evaluierung bestehender IR-MALDI-Ladungsverteilungsmodelle und schlussendlich zur Entwicklung eines neuen Ladungsverteilungsmodels. Anschließend wurde die Ablation auf noch größere Partikel, auf denen die Ablation direkt und damit in der festen Phase stattfinden konnte, übertragen. Hierbei fanden LIBS (laser-induced break-down spectroscopy) und LII (laser-induced incandescence) ihre Anwendung in der Aerosolquantifizierung sowie in deren Identifizierung beziehungsweise Klassierung. Die vielschichtige Methodenkonfiguration bestehend aus Stroboskopie, Photoakustik, LII und LIBS eröffnete neue Dimensionen für analytische Synergien. In diesem Zusammenhang wurde ein neuer Ansatz zur photoakustischen Normierung von Einzelsignalen in der LIBS entwickelt. Als weiteres Alleinstellungsmerkmal wurde LIBS mit niedrigen Fluenzen (Energie pro Fläche) von unter 100 J/cm2, somit also phasenselektiv, und hohen Wiederholungsraten von bis zu 500 Hz verwendet. Somit konnte innerhalb von Sekunden eine statistisch relevante Menge an Daten erhoben werden, nahezu in Echtzeit, was wiederum Anwendungspotentiale in Industrieprozessen aufzeigt. Auf derselben Zeitskala, jedoch bei deutlich geringeren Fluenzen (<1.5 J/cm2), wurde auch die LII für Partikelzählung verwendet. Hierbei wurde erstmals das Potential der LII zur Klassierung von Partikeln im Rahmen eines Fluenz-Screenings gezeigt.
a focused view on molecules, sub-micron particles, and aerosols
10.25932/publishup-55974
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559745
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VE 9907, VE 9537
Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
Christian Prüfert
eng
uncontrolled
Ion mobility spectrometry (IMS)
eng
uncontrolled
Infrared matrix-assisted laser desorption ionization (IR-MALDI)
eng
uncontrolled
Differential mobility analysis (DMA)
eng
uncontrolled
laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS)
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uncontrolled
laser-induced incandescence (LII)
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uncontrolled
Differentielle Mobilitätsanalyse (DMA)
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uncontrolled
Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation (IR-MALDI)
deu
uncontrolled
Ionenmobilitätsspektrometry (IMS)
deu
uncontrolled
Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS)
deu
uncontrolled
Laserinduzierte Inkandeszenz (LII)
BIOLOGY AND OTHER NATURAL SCIENCES
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/55974/pruefert_diss.pdf
55906
2022
2022
eng
xxi, 175
doctoralthesis
1
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2022-07-26
Synthesis of isoflavonoids from African medicinal plants with activity against tropical infectious diseases
Synthese von Isoflavonoiden aus afrikanischen Heilpflanzen mit Wirkung gegen tropische Infektionskrankheiten
Two approaches for the synthesis of prenylated isoflavones were explored: the 2,3-oxidative rearrangement/cross metathesis approach, using hypervalent iodine reagents as oxidants and the Suzuki-Miyaura cross-coupling/cross metathesis approach. Three natural prenylated isoflavones: 5-deoxy-3′-prenylbiochanin A (59), erysubin F (61) and 7-methoxyebenosin (64), and non-natural analogues: 7,4′-dimethoxy-8,3′-diprenylisoflavone (126j) and 4′-hydroxy-7-methoxy-8,3′-diprenylisoflavone (128) were synthesized for the first time via the 2,3-oxidative rearrangement/cross metathesis approach, using mono- or diallylated flavanones as key intermediates. The reaction of flavanones with hypervalent iodine reagents afforded isoflavones via a 2,3-oxidative rearrangement and the corresponding flavone isomers via a 2,3-dehydrogenation. This afforded the synthesis of 7,4′-dimethoxy-8-prenylflavone (127g), 7,4′-dimethoxy-8,3′-diprenylflavone (127j), 7,4′-dihydroxy-8,3′-diprenylflavone (129) and 4′-hydroxy-7-methoxy-8,3′-diprenylflavone (130), the non-natural regioisomers of 7-methoxyebenosin, 126j, erysubin F and 128 respectively. Three natural prenylated isoflavones: 3′-prenylbiochanin A (58), neobavaisoflavone (66) and 7-methoxyneobavaisoflavone (137) were synthesized for the first time using the Suzuki-Miyaura cross-coupling/cross metathesis approach. The structures of 3′-prenylbiochanin A (58) and 5-deoxy-3′-prenylbiochanin A (59) were confirmed by single crystal X-ray diffraction analysis. The 2,3-oxidative rearrangement approach appears to be limited to the substitution pattern on both rings A and B of the flavanone while the Suzuki-Miyaura cross-coupling approach appears to be the most suitable for the synthesis of simple isoflavones or prenylated isoflavones whose prenyl substituents or allyl groups, the substituents that are essential precursors for the prenyl side chains, can be regioselectively introduced after the construction of the isoflavone core.
The chalcone-flavanone hybrids 146, 147 and 148, hybrids of the naturally occurring bioactive flavanones liquiritigenin-7-methyl ether, liquiritigenin and liquiritigenin-4′-methyl ether respectively were also synthesized for the first time, using Matsuda-Heck arylation and allylic/benzylic oxidation as key steps.
The intermolecular interactions of 5-deoxy-3′-prenylbiochanin A (59) and its two closely related precursors 106a and 106b was investigated by single crystal and Hirshfeld surface analyses to comprehend their different physicochemical properties. The results indicate that the presence of strong intermolecular O-H···O hydrogen bonds and an increase in the number of π-stacking interactions increases the melting point and lowers the solubility of isoflavone derivatives. However, the strong intermolecular O-H···O hydrogen bonds have a greater effect than the π-stacking interactions.
5-Deoxy-3′-prenylbiochanin A (59), erysubin F (61) and 7,4′-dihydroxy-8,3′-diprenylflavone (129), were tested against three bacterial strains and one fungal pathogen. All the three compounds were inactive against Salmonella enterica subsp. enterica (NCTC 13349), Escherichia coli (ATCC 25922), and Candida albicans (ATCC 90028), with MIC values greater than 80.0 μM. The diprenylated isoflavone erysubin F (61) and its flavone isomer 129 showed in vitro activity against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA, ATCC 43300) at MIC values of 15.4 and 20.5 μM, respectively. 5-Deoxy-3′-prenylbiochanin A (59) was inactive against this MRSA strain. Erysubin F (61) and its flavone isomer 129 could serve as lead compounds for the development of new alternative drugs for the treatment of MRSA infections.
Ziel dieser Studie war es, aus afrikanischen Heilpflanzen isolierte Naturstoffe künstlich herzustellen, die zur Behandlung tropischer Infektionskrankheiten wie Malaria und bakterieller Infektionen eingesetzt werden, um Schlüsselsubstanzen für die Entwicklung neuer Medikamente zu identifizieren. Sechs Naturstoffe aus afrikanischen Heilpflanzen wie dem Korallenbaum (Erythrina-species) wurden erstmals künstlich hergestellt. Bei der Herstellung dieser Naturstoffe wurden auch sechs weitere verwandte nicht-natürliche Analoga hergestellt.
Zwei Naturstoffe (5-Deoxy-3′-prenylbiochanin A und Erysubin F) aus dem Korallenbaum (Erythrina sacleuxii) und eine verwandte nicht-natürliche Substanz wurden auf ihre antimikrobielle Aktivität gegen drei Bakterienstämme und einen Pilzstamm getestet. Alle drei Substanzen waren nicht wirksam gegen Escherichia coli, ein Bakterium, das Harnwegsinfektionen und Durchfall verursacht; Salmonella entrica, das Typhus verursacht, und Candida albicans, das Candidiasis verursacht. Erysubin F und sein nicht-natürliches Analogon waren sehr aktiv gegen Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA), ein Bakterium, das hauptsächlich in sehr geringen Konzentrationen Hautinfektionen verursacht. 5-Deoxy-3'-prenylbiochanin A war gegen diesen MRSA-Stamm nicht aktiv. Erysubin F und sein nicht-natürliches Analogon könnten als Schlüsselsubstanzen für die Entwicklung eines neuen Medikaments gegen Infektionen durch MRSA dienen.
10.25932/publishup-55906
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559069
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VS 8707, YB 3804
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
George Kwesiga
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uncontrolled
synthesis
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uncontrolled
isoflavonoids
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uncontrolled
African medicinal plants
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uncontrolled
tropical infectious diseases
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uncontrolled
Afrikanische Heilpflanzen
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uncontrolled
Isoflavonoide
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uncontrolled
Synthese
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uncontrolled
tropische Infektionskrankheiten
BIOLOGY AND OTHER NATURAL SCIENCES
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/55906/kwesiga_diss.pdf
55729
2022
2022
2022
eng
v, 68
doctoralthesis
1
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2022-05-31
Real-time monitoring of (photo)chemical reactions in micro flow reactors and levitated droplets by IR-MALDI ion mobility and mass spectrometry
Eine nachhaltigere chemische Industrie erfordert eine Minimierung der Lösungsmittel und Chemikalien. Daher werden Optimierung und Entwicklung chemischer Prozesse vor einer Produktion in großem Maßstab in kleinen Chargen durchgeführt. Der entscheidende Schritt bei diesem Ansatz ist die Skalierbarkeit von kleinen Reaktionssystemen auf große, kosteneffiziente Reaktoren. Die Vergrößerung des Volumens des Reaktionsmediums geht immer mit der Vergrößerung der Oberfläche einher, die mit dem begrenzenden Gefäß in Kontakt steht. Da das Volumen kubisch, während die Oberfläche quadratisch mit zunehmendem Radius skaliert, nimmt ihr Verhältnis nicht linear zu. Viele an der Grenzfläche zwischen Oberfläche und Flüssigkeit auftretende Phänomene können die Reaktionsgeschwindigkeiten und Ausbeuten beeinflussen, was zu falschen Prognosen aufgrund der kleinskaligen Optimierung führt. Die Anwendung von schwebenden Tropfen als behälterlose Reaktionsgefäße bietet eine vielversprechende Möglichkeit, die oben genannten Probleme zu vermeiden.
In der vorgestellten Arbeit wurde eine effiziente Kopplung von akustisch schwebenden Tropfen und IM Spektrometer für die Echtzeitüberwachung chemischer Reaktionen entwickelt, bei denen akustisch schwebende Tropfen als Reaktionsgefäße fungieren. Das Design des Systems umfasst die berührungslose Probenahme und Ionisierung, die durch Laserdesorption und -ionisation bei 2,94 µm realisiert wird. Der Umfang der Arbeit umfasst grundlegende Studien zum Verständnis der Laserbestrahlung von Tropfen im akustischen Feld. Das Verständnis dieses Phänomens ist entscheidend, um den Effekt der zeitlichen und räumlichen Auflösung der erzeugten Ionenwolke zu verstehen, die die Auflösung des Systems beeinflusst.
Der Aufbau umfasst eine akustische Falle, Laserbestrahlung und elektrostatische Linsen, die bei hoher Spannung unter Umgebungsdruck arbeiten. Ein effektiver Ionentransfer im Grenzflächenbereich zwischen dem schwebenden Tropfen und dem IMS muss daher elektrostatische und akustische Felder vollständig berücksichtigen. Für die Probenahme und Ionisation wurden zwei unterschiedliche Laserpulslängen untersucht, nämlich im ns- und µs-Bereich. Die Bestrahlung über µs-Laserpulse bietet gegenüber ns-Pulse mehrere Vorteile: i) das Tropfenvolumen wird nicht stark beeinflusst, was es ermöglichet, nur ein kleines Volumen des Tropfens abzutasten; ii) die geringere Fluenz führt zu weniger ausgeprägten Schwingungen des im akustischen Feld eingeschlossenen Tropfens und der Tropfen wird nicht aus dem akustischen Feld rückgeschlagen, was zum Verlust der Probe führen würde; iii) die milde Laserbestrahlung führt zu einer besseren räumlichen und zeitlichen Begrenzung der Ionenwolken, was zu einer besseren Auflösung der detektierten Ionenpakete führt. Schließlich ermöglicht dieses Wissen die Anwendung der Ionenoptik, die erforderlich ist, um den Ionenfluss zwischen dem im akustischen Feld suspendierten Tropfen und dem IM Spektrometer zu induzieren. Die Ionenoptik aus 2 elektrostatischen Linsen in der Nähe des Tropfens ermöglicht es, die Ionenwolke effektiv zu fokussieren und direkt zum IM Spektrometer-Eingang zu führen. Diese neuartige Kopplung hat sich beim Nachweis einiger basischer Moleküle als erfolgreich erwiesen. Um die Anwendbarkeit des Systems zu belegen, wurde die Reaktion zwischen N-Boc Cysteine Methylester und Allylalkohol in einem Chargenreaktor durchgeführt und online überwacht. Für eine Kalibrierung wurde der Reaktionsfortschritt parallel mittels 1H-NMR verfolgt. Der beobachtete Reaktionsumsatz von mehr als 50% innerhalb der ersten 20 Minuten demonstrierte die Eignung der Reaktion, um die Einsatzpotentiale des entwickelten Systems zu bewerten.
One aspect of achieving a more sustainable chemical industry is the minimization of the usage of solvents and chemicals. Thus, optimization and development of chemical processes for large-scale production is favourably performed in small batches. The critical step in this approach is upscaling the batches from the small reaction systems to the large reactors mandatory for cost efficient production in an industrial environment. Scaling up the bulk volume always goes along with increasing the surface where the reaction medium is in contact with the confining vessel. Since volume scales proportional with the cubic dimension while the surface scales quadratic, their ratio is size-dependent. The influence of reaction vessel walls can change the reaction performance. A number of phenomena occurring at the surface-liquid interface can affect reaction rates and yields, resulting in possible difficulties in predicting and extrapolating from small size production scale to large industrial processes. The application of levitated droplets as a containerless reaction vessels provides a promising possibility to avoid the above-mentioned issues.
In the presented work, an efficient coupling of acoustically levitated droplets to an ion mobility (IM) spectrometer, operating at ambient conditions, was designed for real-time monitoring of chemical reactions. The design of the system comprises noncontact sampling and ionization of the droplet realised by laser desorption/ionization at 2,94 µm. The scope of the work includes fundamental studies covering understanding of laser irradiation of droplets enclosed in an acoustical field. Understanding of this phenomenon is crucial to comprehending the effects of temporal and spatial resolution of the generated ion plume that influence the resolution of the system.
The set-up includes an acoustic trap, laser irradiation and ion manipulation electrostatic lenses operating at high voltage at ambient pressure. The complexity of the design needs to fully be considered for an effective ion transfer at the interface region between the levitated droplet and IM spectrometer. For sampling and ionization, two distinct laser pulse lengths were evaluated, ns and µs. Irradiation via µs laser pulses provides several advantages: i) the droplet volume is not extensively impinged, as in case of ns laser pulses, allowing the sampling of only the small volume of the droplet; ii) the lower fluence results in less pronounced oscillations of the droplet confined in the acoustic field. The droplet will not be dissipated out of the acoustic field leading to loss of the sample; iii) the mild laser irradiation results in better spatial and temporal ion plume confinement, leading to better resolution of the detected ion packets. Finally, this knowledge allows the application of ion optics necessary to induce ion flow between the droplet suspended in the acoustic field and the IM spectrometer. The ion optics, composed of 2 electrostatic lenses placed in the near vicinity of the droplet, allow effective focusing of the ion plume and its redirection directly to the IM spectrometer entrance. This novel coupling has proved to be successful for detection of some simple molecules ionizable at the 2.94 µm wavelength. To further demonstrate the applicability of the system, a proof-of-principle reaction was selected, fulfilling the requirements of the system, and was subjected to comprehensive investigation of its performance. Herein, the reaction between N-Boc cysteine methyl ester and allyl alcohol has been performed in a batch reactor and on-line monitored via 1H NMR to establish reaction propagation. With the additional assessment, it was confirmed that the thiol-ene coupling can be performed within first 20 minutes of the irradiation with a reaction yield above 50%, proving that the reaction can be applied as a study case to assess the possibilities of the developed system.
Echtzeit-Überwachung von (Photo)chemischen Reaktionen in Mikroströmungsreaktoren und schwebenden Tropfen durch IR-MALDI Ionenmoblität- und Massenspektrometrie
10.25932/publishup-55729
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-557298
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VG 9807
Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
Aleksandra Michalik-Onichimowska
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uncontrolled
ion mobility spectrometry
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uncontrolled
mass spectrometry
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uncontrolled
acoustically levitated droplets
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uncontrolled
photochemical reactions
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uncontrolled
akustisch schwebende Tropfen
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uncontrolled
Ionenmobilitätspektrometrie
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uncontrolled
Massenspektrometrie
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uncontrolled
Photochemische Reaktionen
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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Institut für Chemie
Extern
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/55729/michalik-onichimowska_diss.pdf
55746
2021
2022
eng
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17
postprint
Universitätsverlag Potsdam
Potsdam
1
2022-07-22
2022-07-22
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Detection of Rare Earth Elements in Minerals and Soils by Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Using Interval PLS
The numerous applications of rare earth elements (REE) has lead to a growing global demand and to the search for new REE deposits. One promising technique for exploration of these deposits is laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). Among a number of advantages of the technique is the possibility to perform on-site measurements without sample preparation. Since the exploration of a deposit is based on the analysis of various geological compartments of the surrounding area, REE-bearing rock and soil samples were analyzed in this work. The field samples are from three European REE deposits in Sweden and Norway. The focus is on the REE cerium, lanthanum, neodymium and yttrium. Two different approaches of data analysis were used for the evaluation. The first approach is univariate regression (UVR). While this approach was successful for the analysis of synthetic REE samples, the quantitative analysis of field samples from different sites was influenced by matrix effects. Principal component analysis (PCA) can be used to determine the origin of the samples from the three deposits. The second approach is based on multivariate regression methods, in particular interval PLS (iPLS) regression. In comparison to UVR, this method is better suited for the determination of REE contents in heterogeneous field samples. View Full-Text
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
10.25932/publishup-55746
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-557469
1866-8372
Beitz, Toralf
1379
Version of record
<a href="http://publishup.uni-potsdam.de/55745">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
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CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Nina Rethfeldt
Pia Brinkmann
Daniel Riebe
Toralf Beitz
Nicole Köllner
Uwe Altenberger
Hans-Gerd Löhmannsröben
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1254
eng
uncontrolled
LIBS
eng
uncontrolled
rare earth elements
eng
uncontrolled
minerals
eng
uncontrolled
PCA
eng
uncontrolled
iPLS regression
Geowissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/55746/pmnr1254.pdf
55338
2022
2022
eng
XVI, 108, XXVI
doctoralthesis
1
--
--
2022-06-10
Light-responsive polymer systems aiming towards programmable friction
Lichtschaltbare Polymersysteme mit dem Ziel programmierbarer Reibung
The development of novel programmable materials aiming to control friction in real-time holds potential to facilitate innovative lubrication solutions for reducing wear and energy losses. This work describes the integration of light-responsiveness into two lubricating materials, silicon oils and polymer brush surfaces.
The first part focusses on the assessment on 9-anthracene ester-terminated polydimethylsiloxanes (PDMS-A) and, in particular, on the variability of rheological properties and the implications that arise with UV-light as external trigger. The applied rheometer setup contains an UV-transparent quartz-plate, which enables radiation and simultaneous measurement of the dynamic moduli. UV-A radiation (354 nm) triggers the cycloaddition reaction between the terminal functionalities of linear PDMS, resulting in chain extension. The newly-formed anthracene dimers cleave by UV-C radiation (254 nm) or at elevated temperatures (T > 130 °C). The sequential UV-A radiation and thermal reprogramming over three cycles demonstrate high conversions and reproducible programming of rheological properties. In contrast, the photochemical back reaction by UV-C is incomplete and can only partially restore the initial rheological properties. The dynamic moduli increase with each cycle in photochemical programming, presumably resulting from a chain segment re-arrangement as a result of the repeated partial photocleavage and subsequent chain length-dependent dimerization. In addition, long periods of radiation cause photooxidative degradation, which damages photo-responsive functions and consequently reduces the programming range. The absence of oxygen, however, reduces undesired side reactions. Anthracene-functionalized PDMS and native PDMS mix depending on the anthracene ester content and chain length, respectively, and allow fine-tuning of programmable rheological properties. The work shows the influence of mixing conditions during the photoprogramming step on the rheological properties, indicating that material property gradients induced by light attenuation along the beam have to be considered. Accordingly, thin lubricant films are suggested as potential application for light-programmable silicon fluids.
The second part compares strategies for the grafting of spiropyran (SP) containing copolymer brushes from Si wafers and evaluates the light-responsiveness of the surfaces. Pre-experiments on the kinetics of the thermally initiated RAFT copolymerization of 2-hydroxyethyl acrylate (HEA) and spiropyran acrylate (SPA) in solution show, first, a strong retardation by SP and, second, the dependence of SPA polymerization on light. Surprisingly, the copolymerization of SPA is inhibited in the dark. These findings contribute to improve the synthesis of polar, spiropyran-containing copolymers. The comparison between initiator systems for the grafting-from approach indicates PET-RAFT superior to thermally initiated RAFT, suggesting a more efficient initiation of surface-bound CTA by light. Surface-initiated polymerization via PET-RAFT with an initiator system of EosinY (EoY) and ascorbic acid (AscA) facilitates copolymer synthesis from HEA and 5-25 mol% SPA. The resulting polymer film with a thickness of a few nanometers was detected by atomic force microscopy (AFM) and ellipsometry. Water contact angle (CA) measurements demonstrate photo-switchable surface polarity, which is attributed to the photoisomerization between non-polar spiropyran and zwitterionic merocyanine isomer. Furthermore, the obtained spiropyran brushes show potential for further studies on light-programmable properties. In this context, it would be interesting to investigate whether swollen spiropyran-containing polymers change their configuration and thus their film thickness under the influence of light. In addition, further experiments using an AFM or microtribometer should evaluate whether light-programmable solvation enables a change in frictional properties between polymer brush surfaces.
Die Entwicklung neuartiger programmierbarer Materialien zur Anpassung von Reibung in Echtzeit birgt Potenzial, innovative Schmierungslösungen zu ermöglichen, um Verschleiß und Energieverluste zu reduzieren. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Integration von Lichtlichtschaltbarkeit in zwei schmierende Materialien, Silikonöle und Oberflächen mit Polymerbürsten.
Der erste Teil konzentriert sich auf die Bewertung von 9-Anthracenester-terminierten Polydimethylsiloxanen (PDMS-As) und insbesondere auf die Veränderbarkeit der rheologischen Eigenschaften sowie Implikationen, die sich bei der Verwendung von UV-Licht als externe Trigger ergeben. Der verwendete Rheometeraufbau enthält eine UV-transparente Quarzplatte, welche somit die Bestrahlung bei gleichzeitiger Messung der dynamischen Moduli ermöglicht. UV-A-Strahlung (354 nm) löst die Cycloadditionsreaktion zwischen den endständigen Funktionalitäten des linearen PDMS aus und führt so zu einer Kettenverlängerung. Die dabei gebildeten Anthracen-Dimere werden durch UV-C-Strahlung (254 nm) oder bei erhöhten Temperaturen (T > 130 °C) gespalten. Die sequentielle UV-A-Bestrahlung und thermische Reprogrammierung in drei Schaltzyklen führen zu hohen Umsätzen und zeigen reproduzierbar einstellbare Materialeigenschaften. Im Gegensatz dazu ist die photochemische Rückreaktion durch UV-C unvollständig und kann die ursprünglichen rheologischen Eigenschaften nur teilweise wiederherstellen. Die dynamischen Module nehmen mit jedem Zyklus der photochemischen Programmierung zu, was vermutlich auf eine Neuanordnung der Kettensegmente infolge der wiederholten partiellen Photospaltung und der anschließenden kettenlängenabhängigen Dimerisierung zurückzuführen ist. Darüber hinaus kommt es bei langer Bestrahlungsdauer zu einem photooxidativen Abbau, der die photoschaltbaren Funktionen des Silikons beeinträchtigt und folglich den Programmierbereich verringert. Der Ausschluss von Sauerstoff reduziert jedoch unerwünschte Nebenreaktionen. Anthracenfunktionalisiertes PDMS und unfunktionalisiertes PDMS mischen sich in Abhängigkeit vom Anthracenestergehalt beziehungsweise der Kettenlänge und ermöglichen die Feinabstimmung programmierbarer rheologischer Eigenschaften. Die Arbeit zeigt den Einfluss der Mischungsbedingungen während des Photoprogrammierungsschritts auf die rheologischen Eigenschaften, was darauf hindeutet, dass Materialeigenschaftsgradienten, die durch Lichtabschwächung entlang des Lichtstrahls entstehen, berücksichtigt werden müssen. Entsprechend werden dünne Schmiermittelfilme als mögliche Anwendung für lichtprogrammierbare Silikonöle vorgeschlagen.
Der zweite Teil vergleicht ‚grafting-from‘-Methoden zur Synthese Spiropyran(SP)-haltiger Copolyme auf Si-Wafern und bewertet die Lichtschaltbarkeit der Oberflächeneigenschaften. Vorversuche zur Kinetik der thermisch initiierten RAFT-Copolymerisation von 2-Hydroxyethylacrylat (HEA) und Spiropyranacrylat (SPA) in Lösung zeigen erstens, eine starke Retardierung durch SP, und zweitens, die Lichtabhängigkeit der SPA-Polymerisation. Überraschenderweise ist die Copolymerisation von SPA im Dunkeln gehemmt. Diese Ergebnisse tragen dazu bei, die Synthese von polaren, spiropyranhaltigen Copolymeren zu verbessern. Der Vergleich zwischen Initiatorsystemen für den ‚grafting-from‘-Ansatz zeigt, dass PET-RAFT der thermisch initiierten RAFT überlegen ist, was auf eine effizientere Initiierung von oberflächengebundenem CTA durch Licht hindeutet. Die oberflächeninitierte Polymerisation via PET-RAFT mit einem Initiatorsystem aus EosinY (EoY) und Ascorbinsäure (AscA) ermöglicht die Copolymersynthese aus HEA und 5-25 mol% SPA. Der entstandene Polymerfilm mit einer Dicke von einigen Nanometern wurde mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Ellipsometrie nachgewiesen. Die Messungen des Wasserkontaktwinkels (CA) zeigt eine photoschaltbare Oberflächenpolarität, welche der Photoisomerisierung zwischen unpolaren Spiropyran und zwitterionischen Merocyanin-Isomer zugeschrieben wird. Darüber hinaus zeigen die erhaltenen Spiropyranbürsten Potenzial für weitere Untersuchungen zu lichtprogrammierbaren Eigenschaften. In diesem Zusammenhang wäre es interessant weiterführend zu untersuchen, ob gequollene spiropyranhaltige Polymere unter Lichteinfluss tatsächlich ihre Konfiguration und damit ihre Filmdicke ändern. Darüber hinaus wäre es sinnvoll, mit Hilfe eines AFM oder Mikrotribometers zu evaluieren, ob diese lichtprogrammierbare Solvatisierung eine Veränderung der Reibungseigenschaften zwischen Polymerbürstenoberflächen ermöglicht.
the application driven development of 9-anthracene ester-terminated silicone oils and spiropyran graft copolymers as novel functional materials
die anwendungsorientierte Entwicklung von 9-Anthracenester-terminierten Silikonölen und Spiropyran-Pfropfcopolymeren als neuartige Funktionsmaterialien
10.25932/publishup-55338
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553380
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VE 9677
CC-BY-NC - Namensnennung, nicht kommerziell 4.0 International
Chris Gäbert
eng
uncontrolled
programmable friction
eng
uncontrolled
lubricant
eng
uncontrolled
light-programmable viscosity
eng
uncontrolled
spiropyran copolymer
eng
uncontrolled
grafting-from
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Chemistry (For biochemistry, see 92C40)
open_access
Institut für Chemie
Extern
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/55338/gaebert_diss.pdf
55362
2021
2021
eng
6
1249
postprint
1
2021-12-06
2021-12-06
--
Inner Rotation of Pickering Janus Emulsions
Janus droplets were prepared by vortex mixing of three non-mixable liquids, i.e., olive oil, silicone oil and water, in the presence of gold nanoparticles (AuNPs) in the aqueous phase and magnetite nanoparticles (MNPs) in the olive oil. The resulting Pickering emulsions were stabilized by a red-colored AuNP layer at the olive oil/water interface and MNPs at the oil/oil interface. The core–shell droplets can be stimulated by an external magnetic field. Surprisingly, an inner rotation of the silicon droplet is observed when MNPs are fixed at the inner silicon droplet interface. This is the first example of a controlled movement of the inner parts of complex double emulsions by magnetic manipulation via interfacially confined magnetic nanoparticles.
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
10.25932/publishup-55362
1866-8372
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553628
Version of record
<a href="http://publishup.uni-potsdam.de/55363">Bibliographieeintrag der Originalveröffentlichung/Quelle</a>
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CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Rajarshi Roy Raju
Joachim Koetz
Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
1249
eng
uncontrolled
Janus droplets
eng
uncontrolled
Pickering emulsions
eng
uncontrolled
magnetic manipulation
eng
uncontrolled
gold nanoparticles
eng
uncontrolled
magnetite nanoparticles
Chemie
open_access
Institut für Chemie
Referiert
Green Open-Access
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/55362/pmnr1249.pdf
55259
2022
2022
eng
VI, 144
doctoralthesis
1
--
--
2022-04-29
The early stages of halide perovskites thin film formation
Die frühen Stadien der Bildung von Halogenid-Perowskit-Dünnschichten
As climate change worsens, there is a growing urgency to promote renewable energies and improve their accessibility to society. Here, solar energy harvesting is of particular importance. Currently, metal halide perovskite (MHP) solar cells are indispensable in future solar energy generation research. MHPs are crystalline semiconductors increasingly relevant as low-cost, high-performance materials for optoelectronics. Their processing from solution at low temperature enables easy fabrication of thin film elements, encompassing solar cells and light-emitting diodes or photodetectors. Understanding the coordination chemistry of MHPs in their precursor solution would allow control over the thin film crystallization, the material properties and the final device performance.
In this work, we elaborate on the key parameters to manipulate the precursor solution with the long-term objective of enabling systematic process control. We focus on the nanostructural characterization of the initial arrangements of MHPs in the precursor solutions. Small-angle scattering is particularly well suited for measuring nanoparticles in solution. This technique proved to be valuable for the direct analyzes of perovskite precursor solutions in standard processing concentrations without causing radiation damage. We gain insights into the chemical nature of widely used precursor structures such as methylammonium lead iodide (MAPbI3), presenting first insights into the complex arrangements and interaction within this precursor state. Furthermore, we transfer the preceding results to other more complex perovskite precursors. The influence of compositional engineering is investigated using the addition of alkali cations as an example. As a result, we propose a detailed working mechanism on how the alkali cations suppress the formation of intermediate phases and improve the quality of the crystalline thin film. In addition, we investigate the crystallization process of a tin-based perovskite composition (FASnI3) under the influence of fluoride chemistry. We prove that the frequently used additive, tin fluoride (SnF2), selectively binds undesired oxidized tin (Sn(IV)) in the precursor solution. This prevents its incorporation into the actual crystal structure and thus reduces the defect density of the material. Furthermore, SnF2 leads to a more homogeneous crystal growth process, which results in improved crystal quality of the thin film material.
In total, this study provides a detailed characterization of the complex system of perovskite precursor chemistry. We thereby cover relevant parameters for future MHP solar cell process control, such as (I) the environmental impact based on concentration and temperature (II) the addition of counter ions to reduce the diffuse layer surrounding the precursor nanostructures and (III) the targeted use of additives to eliminate unwanted components selectively and to ensure a more homogeneous crystal growth.
Getrieben durch den Klimawandel wächst die Dringlichkeit erneuerbare Energien zu fördern und ihre Zugänglichkeit für die Gesellschaft zu verbessern. Solarenergie ist in dieser Hinsicht von besonderer Bedeutung. Derzeit sind Metallhalogenid-Perowskit-Solarzellen ein unverzichtbarer Bestandteil der Forschung an zukünftig klimaneutraler Energiegewinnung. Metallhalogenid-Perowskite (MHP) sind kristalline Halbleiter, die als kostengünstige und leistungsstarke Materialien für die Optoelektronik zunehmend an Bedeutung gewinnen. Ihre Verarbeitung aus Flüssigkeit bei niedriger Temperatur ermöglicht eine effiziente Herstellung von Dünnschichtelementen, zu denen nicht nur Solarzellen, sondern auch Leuchtdioden oder Photodetektoren zählen. Das Verständnis der Koordinationschemie in den Vorläuferlösungen der MHPs würde es daher ermöglichen, die Kristallisation der Dünnschichten, ihre Materialeigenschaften und die finale Leistung der entsprechenden Bauelemente zu kontrollieren. In dieser Arbeit werden die wichtigsten Parameter zur systematischen Beeinflussung der Vorläuferlösung ausgearbeitet, mit dem langfristigen Ziel eine systematische Prozesskontrolle zu ermöglichen.
Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Anwendung einer nanostrukturellen Technik zur Charakterisierung erster Anordnungen in der Perowskit-Vorläuferlösung. Die Kleinwinkelstreuung eignet sich besonders gut zur nanostrukturellen Charakterisierung von entsprechenden Teilchen bzw. Clustern in Lösung. Mit dieser Methodik können wir auf direktem Wege Perowskit-Vorläuferlösungen in üblichen Verarbeitungs-konzentrationen analysieren. Wir erhalten Einblicke in die chemische Beschaffenheit der Vorläuferstrukturen und untersuchen zudem verschiedene Perowskit-Zusammensetzungen. Strukturelle Erkenntnisse über die Vorstufe im allgemein bekanntestem MHP, Methylammoniumbleijodid (MAPbI3) werden präsentiert und im Folgenden auf komplexere Anwendungen übertragen. Weiterhin wird der Einfluss von Kompositionsvariation am Beispiel der Zugabe von Alkali-Kationen (K, Rb, Cs) untersucht. Es wird ein detaillierter Wirkmechanismus vorgestellt, der erklärt, wie Alkali-Kationen die Bildung von Zwischenphasen unterdrücken und zudem die Qualität der kristallinen Dünnschicht verbessern.
Unter Berücksichtigung vorangehender Ergebnisse, thematisiert diese Arbeit zudem den Kristallisationsprozess einer zinnbasierten Perowskit-Zusammensetzung (FASnI3) unter dem Einfluss von Fluoridchemie. Das häufig zugesetzte Additiv, Zinnfluorid (SnF2), bindet selektiv unerwünschtes, oxidiertes Sn(IV) bereits in der Vorläuferlösung. Dieses verhindert dessen Einbau in die eigentliche Kristallstruktur und verringert so die Defektdichte des Materials. Darüber hinaus führt SnF2 zu einem homogeneren Kristallwachstumsprozess, was eine bessere Kristallqualität des Dünnschichtmaterials und somit final eine bessere Solarzellenleistung zur Folge hat.
Insgesamt bietet diese Studie eine detaillierte Charakterisierung des komplexen Systems der Perowskit-Vorläuferchemie und liefert dabei notwendige Parameter, die für die zukünftige Prozesssteuerung von Relevanz sind.
10.25932/publishup-55259
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552599
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VE 9677, ZP 3730
CC-BY - Namensnennung 4.0 International
Marion A. Flatken
eng
uncontrolled
perovskite solar cells
eng
uncontrolled
perovskite precursors
eng
uncontrolled
thin film crystallization
eng
uncontrolled
small-angle scattering
deu
uncontrolled
Perowskit Solarzellen
deu
uncontrolled
Perowskit Vorläuferstadien
deu
uncontrolled
Kristallisation von Dünnschichten
deu
uncontrolled
Kleinwinkelstreuung
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/55259/flatken_diss.pdf
55160
2022
2022
eng
XII, 108, xxiii
doctoralthesis
1
--
--
2022-05-10
Core-shell upconversion nanoparticles - investigation of dopant intermixing and surface modification
Kern-Schale Aufkonvertierende Nanopartikel — eine Untersuchung der Dotandenvermischung und Oberflächenmodifikation
Frequency upconversion nanoparticles (UCNPs) are inorganic nanocrystals capable to up-convert incident photons of the near-infrared electromagnetic spectrum (NIR) into higher energy photons. These photons are re-emitted in the range of the visible (Vis) and even ultraviolet (UV) light. The frequency upconversion process (UC) is realized with nanocrystals doped with trivalent lanthanoid ions (Ln(III)). The Ln(III) ions provide the electronic (excited) states forming a ladder-like electronic structure for the Ln(III) electrons in the nanocrystals. The absorption of at least two low energy photons by the nanoparticle and the subsequent energy transfer to one Ln(III) ion leads to the promotion of one Ln(III) electron into higher excited electronic states. One high energy photon will be emitted during the radiative relaxation of the electron in the excited state back into the electronic ground state of the Ln(III) ion. The excited state electron is the result of the previous absorption of at least two low energy photons.
The UC process is very interesting in the biological/medical context. Biological samples (like organic tissue, blood, urine, and stool) absorb high-energy photons (UV and blue light) more strongly than low-energy photons (red and NIR light). Thanks to a naturally occurring optical window, NIR light can penetrate deeper than UV light into biological samples. Hence, UCNPs in bio-samples can be excited by NIR light. This possibility opens a pathway for in vitro as well as in vivo applications, like optical imaging by cell labeling or staining of specific organic tissue. Furthermore, early detection and diagnosis of diseases by predictive and diagnostic biomarkers can be realized with bio-recognition elements being labeled to the UCNPs. Additionally, "theranostic" becomes possible, in which the identification and the treatment of a disease are tackled simultaneously.
For this to succeed, certain parameters for the UCNPs must be met: high upconversion efficiency, high photoluminescence quantum yield, dispersibility, and dispersion stability in aqueous media, as well as availability of functional groups to introduce fast and easy bio-recognition elements. The UCNPs used in this work were prepared with a solvothermal decomposition synthesis yielding in particles with NaYF4 or NaGdF4 as host lattice. They have been doped with the Ln(III) ions Yb3+ and Er3+, which is only one possible upconversion pair. Their upconversion efficiency and photoluminescence quantum yield were improved by adding a passivating shell to reduce surface quenching.
However, the brightness of core-shell UCNPs stays behind the expectations compared to their bulk material (being at least μm-sized particles). The core-shell structures are not clearly separated from each other, which is a topic in literature. Instead, there is a transition layer between the core and the shell structure, which relates to the migration of the dopants within the host lattice during the synthesis. The ion migration has been examined by time-resolved laser spectroscopy and the interlanthanoid resonance energy transfer (LRET) in the two different host lattices from above. The results are
presented in two publications, which dealt with core-shell-shell structured nanoparticles. The core is doped with the LRET-acceptor (either Nd3+ or Pr3+). The intermediate shell serves as an insulation shell of pure host lattice material, whose shell thickness has been varied within one set of samples having the same composition, so that the spatial separation of LRET-acceptor and -donor changes. The outer shell with the same host lattice is doped with the LRET-donor (Eu3+). The effect of the increasing insulation shell thickness is significant, although the LRET cannot be suppressed completely.
Next to the Ln(III) migration within a host lattice, various phase transfer reactions were investigated in order to subsequently perform surface modifications for bioapplications. One result out of this research has been published using a promising ligand, that equips the UCNP with bio-modifiable groups and has good potential for bio-medical applications. This particular ligand mimics natural occurring mechanisms of mussel protein adhesion and of blood coagulation, which is why the UCNPs are encapsulated very effectively. At the same time, bio-functional groups are introduced. In a proof-of-concept, the encapsulated UCNP has been coupled successfully with a dye (which is representative for a biomarker) and the system’s photoluminescence properties have been investigated.
Frequenzaufkonvertierende Nanopartikel (UCNP) sind anorganische Nanokristalle. Sie können einfallende Photonen des nah-infraroten elektromagnetischen Spektrums (NIR) in höher energetische Photonen im Bereich des sichtbaren Lichtes und sogar des ultravioletten Lichtes (UV) umwandeln und wieder emittieren. Dieser Frequenzaufkonversionsprozess (UC) basiert auf Nanokristallen, die mit dreiwertigen Lanthanoid-Ionen (Ln(III)) dotiert sind. Die elektronisch angeregten Zustände der Ln(III)-Ionen stehen zur Verfügung, mit deren Hilfe Elektronen über eine leiterartige elektronische Struktur der elektronischen Zustände der Ln(III)-Ionen in höher angeregte Zustände gelangen können. Zuvor müssen mindestens zwei niederenergetische Photonen vom Nanopartikel absorbiert werden. Die absorbierte Energie muss über einen oder mehrere Energieübertragungen das gleiche Ln(III)-Ion erreichen um beim strahlenden Relaxieren des Elektrones im angeregten Zustand zurück in den elektronischen Grundzustand des Ln(III)-Ions ein höherenergetisches Photon zu emittieren.
Der Frequenzaufkonversionsprozess ist sehr interessant für die Anwendung im biologisch/medizinischen Bereich. Biologische Proben (z.B. organisches Gewebe, Blut, Urin und Stuhl) absorbieren höherenergetische Photonen (UV) stärker als niederenergetische Photonen (NIR). Dank eines natürlich vorkommenden optischen Fensters in biologischen Proben kann NIR-Licht tiefer als UV-Licht eindringen, sodass die UCNPs in biologischen Proben mit NIR-Licht angeregt werden können. Dies ermöglicht in vitro als auch in vivo Anwendungen, z.B. für die optische Bildgebung durch Markieren von Zellen oder durch Einfärben von bestimmten Bereichen organischer Gewebe. Frühzeitige Erkennung von Krankheiten kann durch prädiktive und diagnostisch geeignete Biomarker, die mit Erkennungselementen an den UCNPs detektiert werden, realisiert werden. Demnach ist „Theranostic“ ein mögliches Szenario, das die Identifikation und die gleichzeitige Behandlung einer Krankheit ermöglichen könnte.
Um diese Vision zu realisieren, müssen die UCNPs bestimmte Parameter erfüllen: Eine hohe Aufkonversionseffizienz, eine hohe Photolumineszenzquantenausbeute, eine gute Dispergierbarkeit und Stabilität der Dispersion in wässrigen Medien, sowie die Verfügbarkeit von funktionellen Gruppen, um schnell und einfach biologische Erkennungselemente daran zu koppeln. Die UCNPs dieser Arbeit wurden mit Hilfe einer solvothermalen Zersetzungsreaktion durchgeführt. Die Nanopartikel bestanden aus unterschiedlichen Wirtsgittern, entweder aus NaYF4 oder NaGdF4. Die Wirtsgitter wurden mit den Ln(III)-Ionen Yb3+ und Er3+ dotiert. Die Aufkonversionseffizienz, somit auch deren Quantenausbeute, konnte mit einer passivierenden Schale verbessert werden.
Dennoch leuchten die Kern-Schale-UCNPs schlechter als es im Vergleich mit μm-großen Partikeln zu erwarten wäre. Die Kern-Schale-Strukturen gehen ineinander über und sind nicht klar voneinander getrennt. Zwischen dem Kern und der Schale existiert eine Übergangsregion, die mit der Wanderung der Ionen des Wirtsgitters und den dotierten Ln(III)-Ionen einhergeht. Diese Beobachtung wird auch in der Literatur diskutiert. Die Ionenwanderung wurde mit Hilfe von zeitaufgelöster Laserspektroskopie und dem Interlanthanoidenergietransfer (LRET) in den beiden erwähnten Wirtsgittern untersucht. Die Ergebnisse sind in zwei Publikationen veröffentlicht, die auf Kern-Schale-Schale-Strukturen basieren. Der Kern ist mit dem LRET-Akzeptor dotiert (Nd3+ oder Pr3+). Die Zwischenschale besteht aus dem gleichen Wirtsgitter ohne Dotierstoffe und dient als Isolationsschale, deren Schalendicke innerhalb einer Experimentierreihe variiert wurde, um eine räumliche Trennung von LRET-Akzeptor und -Donor zu schaffen. Die äußere Schale, aus dem gleichen Wirtsgitter, ist mit dem LRET-donor (Eu3+) dotiert. Der Effekt der wachsenden Isolationsschalendicke ist signifikant. Aber es ist nicht möglich gewesen, den Energietransfer vom Donor auf den Akzeptor komplett zu unterbinden.
Neben der Untersuchung der Wanderung von Ln(III)-Ionen in einem Wirtsgitter wurden verschiedene Phasentransferreaktionen durchgeführt, um anschließende Oberflächenmodifikationen anzuwenden, damit die Anwendungen der UCNPs im biologischen Kontext prinzipiell demonstriert werden kann. Ein Ergebnis mit einem sehr vielversprechenden Liganden für die bio-medizinische Anwendung wurde in einer Publikation veröffentlicht. Dieser Ligand imitiert natürliche Mechanismen von Muschelproteinen und von Blutkoagulation, sodass die untersuchten Nanopartikel sehr effektiv eingekapselt werden. Gleichzeitig sind funktionelle Gruppen zur Bio-Funktionalisierung vorhanden. In einer Machbarkeitsstudie wurde der eingekapselte UCNP erfolgreich mit einem Farbstoff (der durch einen Biomarker ersetzt werden kann) gekoppelt und die Photolumineszenzeigenschaften des Systems untersucht.
10.25932/publishup-55160
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-551607
online registration
publish
Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VE 9857, VE 5070
Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
Philipp U. Bastian
eng
uncontrolled
upconversion
deu
uncontrolled
Aufkonversion
deu
uncontrolled
Nanopartikel
eng
uncontrolled
nanoparticle
eng
uncontrolled
bio-modification
deu
uncontrolled
Biomodification
deu
uncontrolled
Ionenmigration
eng
uncontrolled
ion migration
eng
uncontrolled
surface modification
deu
uncontrolled
Oberflächenmodifizierung
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/55160/bastian_diss.pdf
54983
2022
2022
2022
eng
iii, 224
doctoralthesis
1
2022-06-02
2022-06-02
2022-04-26
Bio-sourced adsorbing poly(2-oxazoline)s mimicking mussel glue proteins for antifouling applications
Biobasierende, adsorbeirende, Muschelklebeproteine nachahmende Poly(2-oxazoline) für Antifouling-Anwendungen
Nature developed countless systems for many applications. In maritime environments, several organisms established extra-ordinary mechanisms to attach to surfaces. Over the past years, the scientific interest to employ those mechanisms for coatings and long-lasting adhering materials gained significant attention.
This work describes the synthesis of bio-inspired adsorbing copoly(2-oxazoline)s for surface coatings with protein repelling effects, mimicking mussel glue proteins. From a set of methoxy substituted phenyl, benzyl, and cinnamyl acids, 2-oxazoline monomers were synthesized. All synthesized 2-oxazolines were analyzed by FT-IR spectroscopy, NMR spectroscopy, and EI mass spectrometry. With those newly synthesized 2-oxazoline monomers and 2-ethyl-2-oxazoline, kinetic studies concerning homo- and copolymerization in a microwave reactor were conducted. The success of the polymerization reactions was demonstrated by FT-IR spectroscopy, NMR spectroscopy, MALDI-TOF mass spectrometry, and size exclusion chromatography (SEC). The copolymerization of 2-ethyl-2-oxazoline with a selection of methoxy-substituted 2-oxazolines resulted in water-soluble copolymers. To release the adsorbing catechol and cationic units, the copoly(2-oxazoline)s were modified. The catechol units were (partially) released by a methyl aryl ether cleavage reaction. A subsequent partial acidic hydrolysis of the ethyl unit resulted in mussel glue protein-inspired catechol and cation-containing copolymers. The modified copolymers were analyzed by NMR spectroscopy, UV-VIS spectroscopy, and SEC. The catechol- and cation-containing copolymers and their precursors were examined by a Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (QCM-D), so study the adsorption performance on gold, borosilicate, iron, and polystyrene surfaces. An exemplary study revealed that a catechol and cation-containing copoly(2-oxazoline)-coated gold surface exhibits strong protein repelling properties.
In der Natur entwickelten sich unzählige Anpassungen für ebenso viele Lebensbereiche. In maritimen Umgebungen haben sich beispiels-weise bei verschiedenen Organis-men außergewöhnliche Strategien entwickelt, um sich an Oberflächen an-zuheften. In den letzten Jahren hat das wissenschaftliche Interesse an der Nutzung dieser Mechanismen für an Oberflächen haftende Materialien stark zugenommen.
Diese Arbeit beschreibt die Synthese von Muschelklebeprotein nachahmenden, bioinspirierten Copoly(2-oxazolinen) für Oberflächen-beschichtungen mit protein-abweisender Wirkung. Aus einer Gruppe von methoxysubstituierten Phenyl-, Benzyl , und Zimtsäuren wurden 2-Oxazolin-Monomere synthetisiert. Alle synthetisierten 2-Oxazoline wurden mittels FT-IR-Spektroskopie, NMR Spektroskopie und EI-Massenspektrometrie analysiert. Mit diesen neu synthetisierten 2-Oxazolin-Monomeren und 2-Ethyl-2-oxazolin (wasserlösliche Komponente) wurden kinetische Studien zur Homo- und Copolymerisation in einem Mikrowellenreaktor durchgeführt. Der Nachweis der Polymerisationsreaktionen erfolgte durch FT-IR Spektroskopie, NMR Spektroskopie, MALDI-TOF Massenspektrometrie und Gel-Permeations-Chromatographie (GPC). Die Copolymerisation von 2-Ethyl-2-Oxazolin mit Methoxyaryl-substituierten 2-Oxazolinen führte zu wasserlöslichen Copolymeren. Um die adsorbierenden Catechol- und kationischen-Einheiten freizusetzen, wurden die Copolymere modifiziert. Die Catechol-Einheiten wurden durch eine (partielle) Methylaryletherspaltung freigesetzt. Eine anschließende partielle saure Hydrolyse der Ethyleinheit führte zu, von Muschelklebeproteinen inspirierten, catechol- und kationen-haltigen Copolymeren. Die modifizierten Copolymere wurde mittels NMR Spektroskopie, UV-VIS Spektroskopie und SEC analysiert. Die catechol- und kationenhaltigen Copolymere und deren Vorläufercopolymere wurden mittels einer Quarzkristallmikrowaage mit Dissipation (QCM-D) hinsichtlich ihrer Adsorptionsfähigkeit an den Oberflächen Gold, Borosilicat, Eisen und Polystyrol untersucht. Exemplarisch wurde gezeigt, dass eine mit catechol und kationenhaltigem Copoly(2-oxazoline) beschichtete Goldoberfläche, stark proteinabweisende Eigenschaften aufweist.
10.25932/publishup-54983
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549836
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
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CC-BY-NC - Namensnennung, nicht kommerziell 4.0 International
Nils Lüdecke
eng
uncontrolled
poly(2-oxazoline)s
eng
uncontrolled
adhesive
eng
uncontrolled
anti-fouling
eng
uncontrolled
mussel-mimicking
deu
uncontrolled
klebend
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uncontrolled
Antifouling
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uncontrolled
Muschelnachahmend
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uncontrolled
Poly(2-oxazoline)
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/54983/diss_luedecke_nils.pdf
54292
2021
2022
2022
eng
XVIII, 149
doctoralthesis
1
2022-04-07
2022-04-07
2022-02-21
Grafting-to and grafting-from proteins - synthesis and characterization of protein-polymer conjugates on the way to biohybrid membrane materials
Grafting-to und Grafting-from - Synthese und Charakterisierung von Protein-Polymer-Konjugaten auf dem Weg zu biohybriden Membranen
The incorporation of proteins in artificial materials such as membranes offers great opportunities to avail oneself the miscellaneous qualities of proteins and enzymes perfected by nature over millions of years. One possibility to leverage proteins is the modification with artificial polymers. To obtain such protein-polymer conjugates, either a polymer can be grown from the protein surface (grafting-from) or a pre-synthesized polymer attached to the protein (grafting-to). Both techniques were used to synthesize conjugates of different proteins with thermo-responsive polymers in this thesis.
First, conjugates were analyzed by protein NMR spectroscopy. Typical characterization techniques for conjugates can verify the successful conjugation and give hints on the secondary structure of the protein. However, the 3-dimensional structure, being highly important for the protein function, cannot be probed by standard techniques. NMR spectroscopy is a unique method allowing to follow even small alterations in the protein structure. A mutant of the carbohydrate binding module 3b (CBM3bN126W) was used as model protein and functionalized with poly(N-isopropylacrylamide). Analysis of conjugates prepared by grafting-to or grafting-from revealed a strong impact of conjugation type on protein folding. Whereas conjugates prepared by grafting a pre-formed polymer to the protein resulted in complete preservation of protein folding, grafting the polymer from the protein surface led to (partial) disruption of the protein structure.
Next, conjugates of bovine serum albumin (BSA) as cheap and easily accessible protein were synthesized with PNIPAm and different oligoethylene glycol (meth)acrylates. The obtained protein-polymer conjugates were analyzed by an in-line combination of size exclusion chromatography and multi-angle laser light scattering (SEC-MALS). This technique is particular advantageous to determine molar masses, as no external calibration of the system is needed. Different SEC column materials and operation conditions were tested to evaluate the applicability of this system to determine absolute molar masses and hydrodynamic properties of heterogeneous conjugates prepared by grafting-from and grafting-to. Hydrophobic and non-covalent interactions of conjugates lead to error-prone values not in accordance to expected molar masses based on conversions and extents of modifications.
As alternative to this method, conjugates were analyzed by sedimentation velocity analytical ultracentrifugation (SV-AUC) to gain insights in the hydrodynamic properties and how they change after conjugation. Within a centrifugal field, a sample moves and fractionates according to the mass, density, and shape of its individual components. Conjugates of BSA with PNIPAm were analyzed below and above the cloud point temperature of the thermo-responsive polymer component. It was identified that the polymer characteristics were transferred to the conjugate molecule which than showed a decreased ideality – defined as increased deviation from a perfect sphere model – below and increased ideality above the cloud point temperature. This effect can be attributed to an arrangement of the polymer chain pointing towards the solvent (expanded state) or snuggling around the protein surface depending on the applied temperature.
The last project dealt with the synthesis of ferric hydroxamate uptake protein component A (FhuA)-polymer conjugates as building blocks for novel membrane materials. The shape of FhuA can be described as barrel and removal of a cork domain inside the protein results in a passive channel aimed to be utilized as pores in the membrane system. The polymer matrix surrounding the membrane protein is composed of a thermo-responsive and a UV-crosslinkable part. Therefore, an external trigger for covalent immobilization of these building blocks in the membrane and switchability of the membrane between different states was incorporated. The overall performance of membranes prepared by a drying-mediated self-assembly approach was evaluated by permeability and size exclusion experiments. The obtained membranes displayed an insufficiency in interchain crosslinking and therefore a lack in performance. Furthermore, the aimed switch between a hydrophilic and hydrophobic state of the polymer matrix did not occur. Correspondingly, size exclusion experiments did not result in a retention of analytes larger than the pores defined by the dimension of the used FhuA variant.
Overall, different paths to generate protein-polymer conjugates by either grafting-from or grafting-to the protein surface were presented paving the way to the generation of new hybrid materials. Different analytical methods were utilized to describe the folding and hydrodynamic properties of conjugates providing a deeper insight in the overall characteristics of these seminal building blocks.
Der Einbau von Proteinen in künstliche Materialien wie zum Beispiel Membranen ist eine vielversprechende Möglichkeit sich die besonderen Eigenschaften dieser Biomakromoleküle zunutze zu machen. Eine Möglichkeit, solche Membranen herzustellen, ist die Nutzung von Protein-Polymer-Konjugaten als universelle Bausteine. Für die Synthese solcher Konjugate stehen zwei Ansätze zur Verfügung. Bei grafting-to wird ein endgruppenfunktionalisiertes Polymer an das Protein angebunden. Dagegen wird bei grafting-from das Protein in einem ersten Schritt mit Initiatoren funktionalisiert und in einem zweiten Schritt das Polymer ausgehend von diesen sogenannten Makroinitiatoren synthetisiert.
Innerhalb der hier vorliegenden Dissertation wurden vier Hauptprojekte bearbeitet, die sich entweder mit der tiefergehenden Charakterisierung von Protein-Polymer-Konjugaten oder deren Nutzung als Bausteine für Biohybrid-Membranen beschäftigten. Im ersten Projekt wurde der Einfluss der Konjugation auf die Proteinstruktur mittels NMR-Spektroskopie untersucht. Viele Analysemethoden geben Aufschluss über die Erhaltung großer, lokal ausgebildeter Strukturelemente nach Modifizierung. Kleine strukturelle Änderungen bleiben dort meist unerkannt. NMR-Spektroskopie ist eine der wenigen Methoden, die auch solche kleinen Änderungen aufzeigen kann. Innerhalb dieser Dissertation konnte gezeigt werden, dass die Modifizierung von Proteinen mit Polymeren je nach Konjugationsmethode einen enormen Einfluss auf die Proteinstruktur hat. Während Konjugate, die durch grafting-to hergestellt wurden, nahezu keine strukturellen Änderungen aufwiesen, führte die Modifizierung mit Initiatoren bereits zu deutlichen Änderungen, die sich nach der Polymerisation verstärkten.
Das zweite Projekt widmetete sich der Analyse der hydrodynamischen Eigenschaften und der absoluten Molmassenbestimmung von Konjugaten mittels einer Kombination aus Größenausschlusschromatographie und Mehrwinkellichtstreuung. Während der Chromatographie werden die Konjugate entsprechend ihrer Größe aufgetrennt und anschließend durch Lichtstreuung vermessen. Damit diese Vermessung zu realistischen Werten führt, muss die vorangehende Chromatographie gewisse Anforderungen erfüllen. Eine davon ist, dass die Probe die Säule rein entsprechend ihrer Größe passiert und keine anderen Wechselwirkungen auftreten. Leider konnte diese Anforderung unter den getesteten Bedingungen nicht erfüllt werden, sodass die erhaltenen hydrodynamischen Werte und Molmassen stark fehlerbehaftet waren.
Als Alternative zu dieser Methode wurden im dritten Projekt Konjugate in einer analytischen Ultrazentrifuge untersucht. Im Zentrifugalfeld wird eine Probe entsprechend der Größe, Masse und Dichte der Einzelbestandteile getrennt und detektiert. Solche Messungen wurden an Konjugaten modifiziert mit einem temperaturschaltbaren Polymer durchgeführt. Bei Temperaturen unterhalb des Schaltpunkts des Polymers sedimentierten die Konjugate langsamer als oberhalb dieses Punkts. Da sich die Molmasse während des Prozesses nicht ändert, kann dieses Verhalten auf die Form des Konjugats und den Einfluss des Polymers zurückgeführt werden. Die Messungen werden so interpretiert, dass das Polymer unterhalb der Schalttemperatur vom Protein weg zeigt und wie eine Art Fallschirm fungiert. Oberhalb der Temperatur schmiegt es sich an das Protein, ähnlich einem Fallschirmspringer, der die Arme an den Körper zieht.
Das letzte Projekt strebte die Immobilisierung von Membranproteinen als funktionelle Poren in Membranmaterialien an. Dazu wurden Membranprotein-Polymer-Konjugate mit einem thermoresponsiven, UV-verlinkbaren Polymer hergestellt, welches einerseits durch einen externen Auslöser für eine kovalente Immobilisierung der Bausteine in der Membran und andererseits durch einen zweiten Auslöser die Membraneigenschaften modulieren sollte. Die Performance der hergestellten Membranen wurde durch Permeabilitäts- und Größenausschlussexperimente bewertet. Allerdings fand der angestrebte Wechsel zwischen einem hydrophilen und einem hydrophoben Zustand der Polymermatrix unter den getesteten Bedingungen nicht statt. Dementsprechend führten Größenausschlussexperimente nicht zu einer Retention von Analyten, die theoretisch größer sind als die durch die Dimension der verwendeten FhuA-Variante definierten Poren.
Insgesamt wurden verschiedene Wege zur Synthese von Protein-Polymer-Konjugaten durch grafting-from und grafting-to vorgestellt. Die entwickelten Methoden und gewonnenen Erkenntnisse sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu neuen Hybridmaterialien. Verschiedene analytische Methoden wurden eingesetzt, um die Faltung und die hydrodynamischen Eigenschaften der Konjugate zu untersuchen, was einen tieferen Einblick in die allgemeinen Eigenschaften dieser zukunftsträchtigen Bausteine ermöglicht.
10.25932/publishup-54292
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-542921
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VK 8000, VE 8000, VE 7107
Keine öffentliche Lizenz: Unter Urheberrechtsschutz
Maria Mathieu-Gaedke
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uncontrolled
Protein-Polymer-Konjugat
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uncontrolled
Proteincharakterisierung
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uncontrolled
kontrollierte radikalische Polymerisationen
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uncontrolled
Transmembranprotein
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uncontrolled
Analytische Ultrazentrifugation
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uncontrolled
SEC-MALS
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uncontrolled
Protein-NMR-Spektroskopie
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uncontrolled
Biohybrid-Membran
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uncontrolled
protein-polymer conjugate
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uncontrolled
protein characterization
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uncontrolled
controlled radical polymerization
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uncontrolled
transmembrane protein
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uncontrolled
analytical ultracentrifugation
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uncontrolled
SEC-MALS
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uncontrolled
protein NMR spectroscopy
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uncontrolled
biohybrid membrane materials
Chemie und zugeordnete Wissenschaften
open_access
Institut für Chemie
Universität Potsdam
Universität Potsdam
https://publishup.uni-potsdam.de/files/54292/diss_mathieu-gaedke.pdf
54210
2021
2022
eng
XIII, 109
doctoralthesis
1
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2022-02-16
Modulating ultrathin films of semi-crystalline oligomers by Langmuir technique
Modulation ultradünner Filme aus semikristalliner Oligomere durch Langmuir-Technik
Polymeric films and coatings derived from semi-crystalline oligomers are of relevance for medical and pharmaceutical applications. In this context, the material surface is of particular importance, as it mediates the interaction with the biological system. Two dimensional (2D) systems and ultrathin films are used to model this interface. However, conventional techniques for their preparation, such as spin coating or dip coating, have disadvantages, since the morphology and chain packing of the generated films can only be controlled to a limited extent and adsorption on the substrate used affects the behavior of the films. Detaching and transferring the films prepared by such techniques requires additional sacrificial or supporting layers, and free-standing or self supporting domains are usually of very limited lateral extension. The aim of this thesis is to study and modulate crystallization, melting, degradation and chemical reactions in ultrathin films of oligo(ε-caprolactone)s (OCL)s with different end-groups under ambient conditions. Here, oligomeric ultrathin films are assembled at the air-water interface using the Langmuir technique. The water surface allows lateral movement and aggregation of the oligomers, which, unlike solid substrates, enables dynamic physical and chemical interaction of the molecules. Parameters like surface pressure (π), temperature and mean molecular area (MMA) allow controlled assembly and manipulation of oligomer molecules when using the Langmuir technique. The π-MMA isotherms, Brewster angle microscopy (BAM), and interfacial infrared spectroscopy assist in detecting morphological and physicochemical changes in the film. Ultrathin films can be easily transferred to the solid silicon surface via Langmuir Schaefer (LS) method (horizontal substrate dipping). Here, the films transferred on silicon are investigated using atomic force microscopy (AFM) and optical microscopy and are compared to the films on the water surface.
The semi-crystalline morphology (lamellar thicknesses, crystal number densities, and lateral crystal dimensions) is tuned by the chemical structure of the OCL end-groups (hydroxy or methacrylate) and by the crystallization temperature (Tc; 12 or 21 °C) or MMAs. Compression to lower MMA of ~2 Å2, results in the formation of a highly crystalline film, which consists of tightly packed single crystals. Preparation of tightly packed single crystals on a cm2 scale is not possible by conventional techniques. Upon transfer to a solid surface, these films retain their crystalline morphology whereas amorphous films undergo dewetting.
The melting temperature (Tm) of OCL single crystals at the water and the solid surface is found proportional to the inverse crystal thickness and is generally lower than the Tm of bulk PCL. The impact of OCL end-groups on melting behavior is most noticeable at the air-solid interface, where the methacrylate end-capped OCL (OCDME) melted at lower temperatures than the hydroxy end-capped OCL (OCDOL). When comparing the underlying substrate, melting/recrystallization of OCL ultrathin films is possible at lower temperatures at the air water interface than at the air-solid interface, where recrystallization is not visible. Recrystallization at the air-water interface usually occurs at a higher temperature than the initial Tc.
Controlled degradation is crucial for the predictable performance of degradable polymeric biomaterials. Degradation of ultrathin films is carried out under acidic (pH ~ 1) or enzymatic catalysis (lipase from Pseudomonas cepcia) on the water surface or on a silicon surface as transferred films. A high crystallinity strongly reduces the hydrolytic but not the enzymatic degradation rate. As an influence of end-groups, the methacrylate end-capped linear oligomer, OCDME (~85 ± 2 % end-group functionalization) hydrolytically degrades faster than the hydroxy end capped linear oligomer, OCDOL (~95 ± 3 % end-group functionalization) at different temperatures. Differences in the acceleration of hydrolytic degradation of semi-crystalline films were observed upon complete melting, partial melting of the crystals, or by heating to temperatures close to Tm. Therefore, films of densely packed single crystals are suitable as barrier layers with thermally switchable degradation rates.
Chemical modification in ultrathin films is an intricate process applicable to connect functionalized molecules, impart stability or create stimuli-sensitive cross-links. The reaction of end-groups is explored for transferred single crystals on a solid surface or amorphous monolayer at the air-water interface. Bulky methacrylate end-groups are expelled to the crystal surface during chain-folded crystallization. The density of end-groups is inversely proportional to molecular weight and hence very pronounced for oligomers. The methacrylate end-groups at the crystal surface, which are present at high concentration, can be used for further chemical functionalization. This is demonstrated by fluorescence microscopy after reaction with fluorescein dimethacrylate. The thermoswitching behavior (melting and recrystallization) of fluorescein functionalized single crystals shows the temperature-dependent distribution of the chemically linked fluorescein moieties, which are accumulated on the surfaces of crystals, and homogeneously dispersed when the crystals are molten. In amorphous monolayers at the air-water interface, reversible cross-linking of hydroxy-terminated oligo(ε-caprolactone) monolayers using dialdehyde (glyoxal) lead to the formation of 2D networks. Pronounced contraction in the area occurred for 2D OCL films in dependence of surface pressure and time indicating the reaction progress. Cross linking inhibited crystallization and retarded enzymatic degradation of the OCL film. Altering the subphase pH to ~2 led to cleavage of the covalent acetal cross-links. Besides as model systems, these reversibly cross-linked films are applicable for drug delivery systems or cell substrates modulating adhesion at biointerfaces.
Ultradünne Filme/Beschichtungen aus semikristallinen oligomeren Makromolekülen sind für medizinische und pharmazeutische Anwendungen von Bedeutung. Dabei kommt der Materialoberfläche eine besondere Bedeutung zu, da diese die Interaktion mit dem umgebenden biologischen System ermöglicht. Zur Modellierung der Oberfläche werden 2D Systeme und ultradünne Filme verwendet. Herkömmlichen Techniken zu deren Präparation wie Spin-Coating oder Dip-Coating haben jedoch Nachteile, da sich die Morphologie und Kettenpackung der erzeugten Filme nur sehr bedingt kontrollieren lässt und sich die Adsorption auf dem verwendeten Substrat auf das Verhalten der Filme auswirkt. Zum Ablösen oder Übertragen der mit Hilfe dieser Techniken hergestellten Filme sind zusätzliche Opfer- oder Transferschichten erforderlich. Zudem können mit diesen Methoden nur freistehende oder selbsttragende Filme von sehr geringer lateraler Ausdehnung hergestellt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Kristallisation, Schmelzen, Abbau und chemische Reaktionen in ultradünnen Filmen von Oligo(ε-caprolacton)en (OCL)s mit unterschiedlichen Endgruppen unter Umgebungsbedingungen zu untersuchen und zu kontrollieren. Dazu wurden ultradünne Filme an der Luft-Wasser-Grenzfläche mit der Langmuir-Technik erzeugt. Die Wasseroberfläche erlaubt eine ungestörte Bewegung und Aggregation der Oligomere, was, im Gegensatz zu festen Substraten, dynamische physikalische und chemische Interaktion der Moleküle miteinander ermöglicht. Die Langmuir-Technik erlaubt mit Hilfe von Parametern wie Temperatur, Oberflächendruck (π) und Fläche pro Wiederholheinheit eine kontrollierte Manipulation der Oligomere. Kompressionsiothermen, Brewster-Winkelmikroskopie und Grenzflächen-Infrarotspektroskopie halfen beim Nachweis morphologischer und physikalisch-chemischer Veränderungen im Film. Die ultradünnen Filme wurden über das Langmuir-Schäfer-Verfahren (Kontakt mit Substrat in paralleler Orientierung zur Grenzfläche) auf Siliziumsubstrate übertragen. Danach wurden die übertragenen Filme mittels AFM und optischer Mikroskopie untersucht und mit Filmen an der Wasseroberfläche verglichen.
Die teilkristalline Morphologie (Lamellendicke, Kristallzahldichte und laterale Dimension der Kristalle) von Polymerfilmen kann durch die chemische Struktur der OCL-Endgruppen (Hydroxy oder Methacrylat) und durch die Kristallisationstemperatur (Tc; 12 oder 21 °C) oder die Fläche pro Wiederholeinheit beeinflusst werden. Die Kompression auf eine sehr kleine Fläche pro Wiederholeinheit von ~2 Å2 führt zur Bildung eines hochkristallinen Films, der aus dicht gepackten Einkristallen besteht. Eine Synthese von derartigen Filmen im cm2 Maßstab ist mit herkömmlichen Techniken nicht möglich. Nach Übertragung auf eine feste Oberfläche behielten die teilkristallinen Filme ihre Morphologie, während amorphe Filme das für Polymere charakteristische Entnetzungsverhalten aufwiesen.
Die Schmelztemperaturen (Tm) von OCL-Einkristallen an der Wasser- und Festkörperoberfläche waren proportional zur inversen Kristalldicke und im Allgemeinen niedriger als die Tm von PCL im Festkörper. Der Einfluss der OCL-Endgruppen auf das Schmelzverhalten war an der Luft-Feststoff-Grenzfläche am deutlichsten, wo OCL mit Methacrylat-Endgruppen bei niedrigeren Temperaturen schmolz als OCL mit Hydroxyl-Endgruppen. Das Schmelzen/Rekristallisieren ultradünner OCL-Filme an der Luft-Wasser-Grenzfläche erfolgte bei niedrigeren Temperaturen als an der Luft-Feststoff-Grenzfläche, wo keine Rekristallisation beobachtet wurde. Die Rekristallisation geschmolzener Filme an der Luft-Wasser-Grenzfläche erfolgte normalerweise bei einer höheren Temperatur als der anfänglichen Tc.
Der kontrollierte Abbau ist entscheidend für die Performance von abbaubaren Polymeren als Biomaterialien. Der Abbau ultradünner Filme erfolgte hydrolytisch entweder unter saurer (pH ~ 1) oder enzymatischer Katalyse (Lipase aus Pseudomonas cepcia) auf der Wasseroberfläche oder als übertragene Filme auf Siliziumoberflächen. Eine hohe Kristallinität reduzierte die hydrolytische Abbaurate stark, aber die enzymatische dagegen wenig. Das lineare Oligomer mit Methacrylat Endgruppen (~85 ± 2 % Endgruppenfunktionalisierung) wurde bei unterschiedlichen Temperaturen schneller hydrolytisch abgebaut als das lineare Oligomer mit Hydroxyl Endgruppen (~95 ± 3 % Endgruppenfunktionalisierung). Unterschiede in der Beschleunigung des hydrolytischen Abbaus von teilkristallinen Filmen wurden beim vollständigen Schmelzen, teilweisen Schmelzen der Kristalle, oder durch erwärmen in die Nähe von Tm beobachtet. Daher eignen sich Filme aus dicht gepackten Einkristallen als Barriereschichten mit thermisch schaltbarer Degradationsrate.
Chemische Reaktionen in ultradünnen Filmen können angewandt werden, um funktionalisierte Moleküle zu verbinden und ihnen Stabilität zu verleihen oder Stimuli-sensitive Vernetzungen zu erzeugen. Hier wurden die Reaktionen der Endgruppen transferierter Einkristalle auf festen Oberflächen und amorphen Monoschichten an der Luft-Wasser-Grenzfläche untersucht. Da die Kettenenden defekte in den Einkristallen darstellen würden, werden sie bei der Kristallisation an der Kristalloberfläche angeordnet. Die Dichte der Endgruppen ist umgekehrt proportional zum Molekulargewicht und daher bei Oligomeren besonders hoch. Hier wurden mit Methacrylatendgruppen versehene OCL Moleküle verwendet. Diese Gruppen können chemisch weiter umgesetzt und für eine Funktionalisierung der Kirstalle verwendet werden. Dies wurde fluoreszenz-mikroskopisch nach der Reaktion mit Fluoresceindimethacrylat nachgewiesen. Das thermische Schalten (Schmelzen und Umkristallisieren) von Fluorescein-funktionalisierten Einkristallen erzeugt eine temperaturabhängige Verteilung der chemisch verknüpften Fluorescein-Einheiten, die sich auf den Oberflächen der Kristalle ansammeln und beim Schmelzen der Kristalle homogen dispergiert werden. In amorphen Monoschichten an der Luft-Wasser-Grenzfläche führt die reversible Vernetzung von Hydroxy-terminierten Oligo(ε-caprolacton) Monoschichten unter Verwendung eines Dialdehyds (Glyoxal) zur Bildung von zweidimensionalen (2D) Netzwerken. Bei 2D-OCL-Filmen trat eine ausgeprägte Kontraktion der Fläche in Abhängigkeit von Oberflächendruck und Zeit auf, was den Fortschritt der Reaktion anzeigte. Die Vernetzung hemmte die Kristallisation und verzögerte den enzymatischen Abbau des OCL-Films. Eine Änderung des pH-Wertes der Subphase auf ~2 führte zur Spaltung der kovalenten Acetalvernetzungen. Außer als Modellsysteme wäre der Einsatz dieser reversibel vernetzten Filme für den Einsatz als Drug-Delivery-Systeme oder als Oberflächen zur Steuerung der Adhäsion von Zellen möglich.
10.25932/publishup-54210
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-542108
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Dissertation, Universität Potsdam, 2022
VE 9677
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Shivam Saretia
eng
uncontrolled
polymer
eng
uncontrolled
poly(ε-caprolactone)
eng
uncontrolled
2D material
eng
uncontrolled
ultrathin film
eng
uncontrolled
single crystals
eng
uncontrolled
crystallization
eng
uncontrolled
melting
eng
uncontrolled
degradation
eng
uncontrolled
hydrolysis
eng
uncontrolled
reactions
eng
uncontrolled
substrate
eng
uncontrolled
end-groups
eng
uncontrolled
hydroxy
eng
uncontrolled
methacrylate
deu
uncontrolled
Polymer
deu
uncontrolled
Poly(ε-caprolacton)
deu
uncontrolled
2D-Material
deu
uncontrolled
Beschichtungen
deu
uncontrolled
Ultradünne Filme
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uncontrolled
Einkristalle
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uncontrolled
Kristallisation
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uncontrolled
Schmelz
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Abbau
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Hydrolyse
deu
uncontrolled
Reaktion
deu
uncontrolled
Substrat
deu
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Hydroxyl
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Methacrylat
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