TY  - THES
A1  - Lian, Tingting
T1  - Efficient activation of peroxymonosulfate by carbon-based catalysts for water purification
N2  - The increasing global population has led to a growing demand for cost-effective and eco-friendly methods of water purification. This demand has reached a peak due to the increasing presence of impurities and pollutants in water and a growing awareness of waterborne diseases. Advanced oxidation processes (AOPs) are effective methods to address these challenges, due to the generation of highly reactive radicals, such as sulfate radical (SO4•-), hydroxyl radical (•OH), and/or superoxide radical (•O2-) in oxidation reactions. Relative to conventional hydrogen peroxide (H2O2)-based AOPs for wastewater treatment, the persulfate-related AOPs are receiving increasing attention over the past decades, due to their stronger oxidizing capability and a wider pH working window. Further deployment of the seemingly plausible technology as an alternative for the well-established one in industry, however, necessitates a careful evaluation of compounding factors, such as water matrix effects, toxicological consequences, costs, and engineering challenges, etc. To this end, rational design of efficient and environmentally friendly catalysts constitutes an indispensable pathway to advance persulfate activation efficacy and to elucidate the mechanisms in AOPs, the combined endeavors are expected to provide insightful understanding and guidelines for future studies in wastewater treatment. A dozens of transition metal-based catalysts have been developed for persulfate-related AOPs, while the undesirable metal leaching and poor stability in acidic conditions have been identified as major obstacles. Comparatively, the carbonaceous materials are emerging as alternative candidates, which are characterized by metal-free nature, wide availability, and exceptional resistance to acid and alkali, as well as tunable physicochemical and electronic properties, the combined merits make them an attractive option to overcome the aforementioned limitations in metal-based catalytic systems. This dissertation aims at developing novel carbonaceous materials to boost the activity in peroxymonosulfate (PMS) activation processes. Functionalized carbon materials with metal particles or heteroatoms were constructed and further evaluated in terms of their ability to activate PMS for AOPs. The main contents of this thesis are summarized as follows: (1) Iron oxide-loaded biochar: improving stability and alleviating metal leakage Metal leaching constitutes one of the main drawbacks in using transition metals as PMS activators, which is accompanied by the generation of metal-containing sludge, potentially leading to secondary pollution. Meanwhile, the metal nanoparticles are prone to aggregate, causing rapid decay of catalytic performance. The use of carbons as supports for transition metals could mitigate these deficiencies, because the interaction between metals and carbons could in turn disperse and stabilize metal nanoparticles, thus suppressing the metal leaching. In this work, the environmentally benign lignin with its abundant phenolic groups, which is well known to serve as carbon source with high yields and flexibility, was utilized to load Fe ions. The facile low-temperature pre-treatment pyrolytic strategy was employed to construct a green catalyst with iron oxides embedded in Kraft-lignin-derived biochar (termed as γ-Fe2O3@KC). The γ-Fe2O3@KC was capable of activating PMS to generate stable non-radical species (1O2 and Fe (V)=O) and to enhance electron transfer efficiency. A surface-bound reactive complex (catalyst-PMS*) was identified by electrochemical characterizations and discussed with primary surface-bound radical pairs to explain the contradictions between quenching and EPR detection results. The system also showed encouraging reusability for at least 5 times and high stability at pH 3-9. The low concentration of iron in γ-Fe2O3@KC/PMS system implied that the carbon scaffold of biochar substantially alleviated metal leakage. (2) MOF-derived nanocarbon: new carbon crystals Traditional carbon materials are of rather moderate performance in activation PMS, due to the poor electron transfer capacity within the amorphous structure and limited active sites for PMS adsorption. Herein, we established crystalline nanocarbon materials via a simple NaCl-templated strategy using the monoclinic zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) sealed with NaCl crystals as the precursors. Specifically, NaCl captured dual advantages in serving as structure-directing agent during hydrolysis and protective salt reactor to facilitate phase transformation during carbonization. The structure-directing agent NaCl provided a protective and confined space for the evolution of MOF upon carbonization, which led to high doping amounts of nitrogen (N) and oxygen elements (O) in carbon framework (N: 14.16 wt%, O: 9.6 wt%) after calcination at a high temperature of 950 oC. We found that N-O co-doping can activate the chemically inert carbon network and the nearby sp2-hybridized carbon atoms served as active sites for adsorption and activation. Besides, the highly crystallized structure with well-established carbon channels around activated carbon atoms could significantly accelerate electron transfer process after initial adsorption of PMS. As such, this crystalline nanocarbon exhibited excellent catalytic kinetics for various pollutants. (3) MOF-derived 2D carbon layers: enhanced mass/electron transfer The two-dimensional (2D) configuration of carbon-based nanosheets with inherent nanochannels and abundant active sites residing on the layer edges or in between the layers, allowed the accessible interaction and close contact between the substrates and reactants, as well as the dramatically improved electron- and mass-transfer kinetics. In this regard, we developed dual-templating strategy to afford 2D assembly of the crystalline carbons, which found efficiency in reinforcing the interactions between the catalyst surface and foreign pollutants. Specifically, we found that the ice crystals and NaCl promoted the evolution of MOF in a 2D fashion during the freezing casting stage, while the later further allowed the formation of a graphitic surface at high calcination temperature, by virtue of the templating effect of molten salt. Due to the highly retained co-doping amounts, N and O heteroatoms created abundant active sites for PMS activation, the 2D configuration of carbon-based nanosheets enable efficient interaction of PMS and pollutants on the surface, which further boosted the kinetics of degradation.
KW  - Carbon
KW  - Water treatment
KW  - PMS activation
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Iqbal, Zafar
T1  - Interface design and characterization for stable inorganic perovskite solar cells
T1  - Grenzflächendesign und- charakterisierung für stabile anorganische Perowskit-Solarzellen
BT  - inorganic perovskite solar cells
N2  - 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.
N2  - 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.
KW  - CsPbI3
KW  - interfaces
KW  - perovskite solar cells
KW  - CsPbI3
KW  - Grenzflächen
KW  - Perowskit-Solarzellen
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-618315
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baryzewska, Agata W.
T1  - Reconfigurable Janus emulsions as signal transducers for biosensing applications
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Chemura, Sitshengisiwe
T1  - Optical spectroscopy on lanthanide-modified nanomaterials for performance monitoring
T1  - Optische Spektroskopie an Lanthanid-modifizierten Nanomaterialien zur Leistungsüberwachung
N2  - 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.
N2  - 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.
KW  - cerium oxide
KW  - europium
KW  - luminescence
KW  - PARAFAC
KW  - ytterbium
KW  - species
KW  - Ceroxid
KW  - Lumineszenz
KW  - Nanokomposite
KW  - Spezies
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-619443
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Bhattacharyya, Biswajit
A1  - Balischewski, Christian
A1  - Sperlich, Eric
A1  - Günter, Christina
A1  - Mies, Stefan
A1  - Kelling, Alexandra
A1  - Taubert, Andreas
T1  - N-Butyl Pyridinium Diiodido Argentate(I)
BT  - A One-Dimensional Ag-I Network with Superior Solid-State Ionic Conductivity at Room Temperature
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - 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.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1341 
KW  - AgI
KW  - ionic conductivity
KW  - Ionic liquids
KW  - thermal properties
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-604874
SN  - 1866-8372
IS  - 1341
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Sperlich, Eric
A1  - Köckerling, Martin
T1  - The double cluster compound [Nb6Cl14(MeCN)(4)] [Nb6Cl14(pyz)(4)].6MeCN (Me: methyl, pyz: pyrazine) with a layered structure resulting from weak intermolecular interactions
JF  - Zeitschrift für Naturforschung
N2  - The synthesis and the crystal structure of the double cluster compound [Nb6Cl14(MeCN)(4)][Nb6Cl14(pyz)(4)]middot6CH(3)CN are described. The synthesis is based on a partial ligand exchange reaction, which proceeds upon dissolving [Nb6Cl14(pyz)(4)]middot2CH(2)Cl(2) in acetonitrile. The compound is built up of two discrete neutral cluster units, which consist of octahedra of Nb-6 atoms coordinated by 12 edge-bridging chlorido and two terminal chlorido ligands, and four acetonitrile ligands on one and four pyrazine ligands on the other cluster unit. Co-crystallized acetonitrile molecules are also present. The single-crystal structure determination has revealed a cluster arrangement in which the [Nb6Cl14(pyz)(4)] units are connected by (halogen) lone-pair-(pyrazine) pi interactions. These lead to chains of [Nb6Cl14(pyz)(4)] clusters. These chains are further connected to cluster layers by (nitrile-halogen) dipole-dipole interactions, in which the [Nb6Cl14(MeCN)(4)] and co-crystallized MeCN molecules are also involved. These cluster layers are arranged parallel to the crystallographic {011} plane.
KW  - cluster
KW  - crystal structure
KW  - dipole-dipole interaction
KW  - halide
KW  - lone-pair-pi interactions
KW  - niobium
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.1515/znb-2023-0001
SN  - 0932-0776
SN  - 1865-7117
VL  - 78
IS  - 5
SP  - 279
EP  - 283
PB  - De Gruyter
CY  - Berlin
ER  - 
TY  - THES
A1  - Saatchi, Mersa
T1  - Study on manufacturing of multifunctional bilayer systems
N2  - 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.
N2  - 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.
T2  - Studie zur Herstellung multifunktionaler Doppelschichtsysteme
KW  - bilayer system
KW  - biomaterials
KW  - wrinkles
KW  - polymer
KW  - injection molding
KW  - Doppelschichtstruktur
KW  - Biomaterialien
KW  - poröse Struktur
KW  - Falten
KW  - Spritzgießen
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601968
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Akampurira, Denis
A1  - Akala, Hoseah M.
A1  - Derese, Solomon
A1  - Heydenreich, Matthias
A1  - Yenesew, Abiy
T1  - A new C-C linked benzophenathridine-2-quinoline dimer, and the antiplasmodial activity of alkaloids from Zanthoxylum holstzianum
JF  - Natural product research
N2  - The CH2Cl2/MeOH (1:1) extract of Zanthoxylum holstzianum stem bark showed good antiplasmodial activity (IC50 2.5 +/- 0.3 and 2.6 +/- 0.3 mu g/mL against the W2 and D6 strains of Plasmodium falciparum, respectively). From the extract five benzophenanthridine alkaloids [8-acetonyldihydrochelerythrine (1), nitidine (2), dihydrochelerythine (3), norchelerythrine (5), arnottianamide (8)]; a 2-quinolone alkaloid [N-methylflindersine (4)]; a lignan [4,4 '-dihydroxy-3,3 '-dimethoxylignan-9,9 '-diyl diacetate (7)] and a dimer of a benzophenanthridine and 2-quinoline [holstzianoquinoline (6)] were isolated. The CH2Cl2/MeOH (1:1) extract of the root bark afforded 1, 3-6, 8, chelerythridimerine (9) and 9-demethyloxychelerythrine (10). Holstzianoquinoline (6) is new, and is the second dimer linked by a C-C bond of a benzophenanthridine and a 2-quinoline reported thus far. The compounds were identified based on spectroscopic evidence. Amongst five compounds (1-5) tested against two strains of P. falciparum, nitidine (IC50 0.11 +/- 0.01 mu g/mL against W2 and D6 strains) and norchelerythrine (IC50 value of 0.15 +/- 0.01 mu g/mL against D6 strain) were the most active.
KW  - Antiplasmodial
KW  - benzophenanthridine alkaloid
KW  - holstzianoquinoline;
KW  - rutaceae
KW  - Zanthoxylum holstzianum
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1080/14786419.2022.2034810
SN  - 1478-6419
SN  - 1478-6427
VL  - 37
IS  - 13
SP  - 2161
EP  - 2171
PB  - Taylor & Francis
CY  - London [u.a.]
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Brinkmann, Pia
A1  - Köllner, Nicole
A1  - Merk, Sven
A1  - Beitz, Toralf
A1  - Altenberger, Uwe
A1  - Löhmannsröben, Hans-Gerd
T1  - Comparison of handheld and echelle spectrometer to assess copper in ores by means of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS)
T2  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - 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.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1311 
KW  - LIBS
KW  - copper-bearing minerals
KW  - UVR
KW  - PCA
KW  - PLSR
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-584742
SN  - 1866-8372
IS  - 1311
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hu, Neng
A1  - Lin, Li
A1  - Metwalli, Ezzeldin
A1  - Bießmann, Lorenz
A1  - Philipp, Martine
A1  - Hildebrand, Viet
A1  - Laschewsky, André
A1  - Papadakis, Christine M.
A1  - Cubitt, Robert
A1  - Zhong, Qi
A1  - Müller-Buschbaum, Peter
T1  - Kinetics of water transfer between the LCST and UCST thermoresponsive blocks in diblock copolymer thin films monitored by in situ neutron reflectivity
JF  - Advanced materials interfaces
N2  - The kinetics of water transfer between the lower critical solution temperature (LCST) and upper critical solution temperature (UCST) thermoresponsive blocks in about 10 nm thin films of a diblock copolymer is monitored by in situ neutron reflectivity. The UCST-exhibiting block in the copolymer consists of the zwitterionic poly(4((3-methacrylamidopropyl)dimethylammonio)butane-1-sulfonate), abbreviated as PSBP. The LCST-exhibiting block consists of the nonionic poly(N-isopropylacrylamide), abbreviated as PNIPAM. The as-prepared PSBP80-b-PNIPAM(400) films feature a three-layer structure, i.e., PNIPAM, mixed PNIPAM and PSBP, and PSBP. Both blocks have similar transition temperatures (TTs), namely around 32 degrees C for PNIPAM, and around 35 degrees C for PSBP, and with a two-step heating protocol (20 degrees C to 40 degrees C and 40 degrees C to 80 degrees C), both TTs are passed. The response to such a thermal stimulus turns out to be complex. Besides a three-step process (shrinkage, rearrangement, and reswelling), a continuous transfer of D2O from the PNIPAM to the PSBP block is observed. Due to the existence of both, LCST and UCST blocks in the PSBP80-b-PNIPAM(400 )film, the water transfer from the contracting PNIPAM, and mixed layers to the expanding PSBP layer occurs. Thus, the hydration kinetics and thermal response differ markedly from a thermoresponsive polymer film with a single LCST transition.
KW  - block copolymer
KW  - dual thermoresponsive
KW  - kinetic water transfer
KW  - neutron
KW  - reflectivity
KW  - thin film
Y1  - 2022
U6  - https://doi.org/10.1002/admi.202201913
SN  - 2196-7350
VL  - 10
IS  - 3
PB  - Wiley-VCH
CY  - Weinheim
ER  -