TY  - THES
A1  - Sand, Patrick
T1  - Übergangsmetallkatalysierte Funktionalisierungsreaktionen an Vinylsulfonylverbindungen
T1  - Transition metal catalysed functionalisation of vinyl sulfonyl compounds
N2  - Innerhalb dieser Arbeit erfolgte die erstmalige systematische Untersuchung von Vinylsulfonsäureethylester (1a), Phenylvinylsulfon (1b), N-Benzyl-N-methylethensulfonamid (1c) in der FUJIWARA-MORITANI Reaktion (alternativ als DHR bezeichnet). Bei dieser übergangsmetallkatalysierten Reaktion erfolgt der Aufbau einer neuen C-C-Bindung unter der doppelten Aktivierung einer C-H-Bindung. Somit kann ein atomökonomischer Aufbau von Molekülen realisiert werden, da keine Beiprodukte in Form von Salzen entstehen. Als aromatischer Reaktant wurden Acetanilide (2) verwendet, damit eine regiospezifische Kupplung durch die katalysatordirigierende Acetamid-Gruppe (CDG) erfolgt. Für die Pd-katalysierte DHR wurde eine umfangreiche Optimierung durchgeführt und anschließend konnten neun verschieden, substituierte 2 mit 1a und sieben verschieden, substituierte 2 mit 1b funktionalisiert werden. Da eine Reaktion mit 1c ausblieb, erfolgte ein Wechsel auf eine Ru-katalysierte Methode für die DHR. Mit dieser Methode konnte 1c mit Acetaniliden funktionalisiert werden und das Spektrum der verwendeten 2, in Form von deaktivierenden Substituenten erweitert werden.
Im Anschluss wurden die sulfalkenylierten Acetanilide in weiterführenden Reaktionen untersucht. Hierfür wurde eine Reaktionssequenz bestehend aus einer DeacetylierungDiazotierung-Kupplungsreaktion verwendet, um die Acetamid-Gruppe in eine Abgangsgruppe zu überführen und danach in einer MATSUDA-HECK Reaktion zu kuppeln. Mit dieser Methode konnten mehrere 1,2-Dialkenylbenzole erhalten werden und die CDG ein weiteres Mal genutzt werden. Neben der Überführung der CDG in eine Abgangsgruppe konnte diese auch in die Synthese verschiedener Heterozyklen integriert werden. Dafür erfolgte zunächst eine 1,3-Zykloaddition durch deprotonierten Tosylmethylisocanid an der elektronenarmen Sulfalkenylgruppe zur Synthese von Pyrrolen. Anschließend erfolgte eine Kupplung der PyrrolFunktion und der CDG durch Zyklokondensation, wodurch Quinoline dargestellt wurden. Durch diese Synthesen konnten Schwefelanaloga des Naturstoffes Marinoquionolin A erhalten werden.
Ein weitere übergangsmetallkatalysierte C-H-Aktivierungsreaktion, die MATSUDA-HECK Reaktion, wurde genutzt, um 1b zu mit verschieden, subtituierten Diazoniumsalzen zu arylieren. Hier konnten zahlreichen Styrenylsulfone erhalten werden. Der erfolgreiche Einsatz der Vinylsulfonylverbindungen in der Kreuzmetathese konnte innerhalb dieser Arbeit nicht erreicht werden. Daher erfolgte die Synthese verschiedener dialkenylierter Sulfonamide. Hierfür wurde die Kettenlänge der Alkenyl-Gruppe am Schwefel zwischen 2-3 und am Stickstoff zwischen 3-4 variiert. Der Einsatz der dialkenylierten Sulfonamide erfolgte in den zuvor untersuchten C-H-Aktivierungsmethoden.
N-Allyl-N-phenylethensulfonamid (3) konnte erfolgreich in der DHR und HECK Reaktion funktionalisiert werden. Hierbei erfolgte eine methodenspezifische Kupplung in Abhängigkeit von der Elektronendichte der entsprechenden Alkenyl-Gruppe. Die DHR führte zur selektiven Arylierung der Vinyl-Gruppe und die HECK Reaktion zur Arylierung an der Allyl-Gruppe. Gemischte Produkte wurden nicht erhalten. Für die weiteren Diolefine wurde komplexe Produktgemische erhalten. Des Weiteren wurden die Diolefine in der Ringschlussmetathese untersucht und die entsprechenden Sultame in sehr guten Ausbeuten erhalten. Die Verwendung der Sultame in der C-H-Aktivierung war erfolglos. Es wird vermutet, dass für diese zweifachsubstituierten Sulfonamide die vorhandenen Reaktionsbedingungen optimiert werden müssen.
Abschließend wurden verschiedene, enantiomerenreine Olefine ausgehend von Levoglucosenon dargestellt. Hierfür wurde Levoglucosenon zunächst mit einem Allyl- und 3-Butenylgrignard Reagenz umgesetzt. Die entsprechenden Produkte wurden in moderaten Ausbeuten erhalten. Eine weitere Methode begann mit der Reduktion von Levoglucosenon zum Levoglucosenol. Dieser Alkohol wurde mit Allylbromid erfolgreich verethert. Neben der Untersuchungen zur Ethersynthese, erfolgte die Veresterung von Levoglucosenol mit verschiedenen Sulfonylchloriden zu den entsprechenden Sulfonsäureestern. Diese Olefine wurden in einer Dominometathesereaktion untersucht. Ausgehend vom Allyllevoglucosenylether erfolgte die Darstellung eines Dihydrofurans.
N2  - Within this work, the first systematic investigation of vinyl sulfonic acid ethyl ester (1a), phenyl vinyl sulfone (1b), N-benzyl-N-methylethene sulfonamide (1c) in the FUJIWARA-MORITANI reaction (alternatively referred to as DHR) was carried out. In this transition metal-catalysed reaction, the formation of a new C-C bond takes place through double activation of a C-H bond. Therefore, an atom-economical construction of molecules can be realised without the formation of by-products in the form of salts. Acetanilides (2) were used as aromatic reactants so that a regiospecific coupling by the catalyst-directing acetamide group (CDG) takes place. An extensive optimisation was carried out for the Pd catalysed DHR and subsequently nine differently substituted 2 could be functionalised with 1a and seven differently substituted 2 with 1b. Since a reaction with 1c failed to occur, a switch was made to a Ru-catalysed method for the DHR. With this method, 1c could be functionalised with acetanilides (2) and the spectrum of the acetanilides (2) used could be expanded to deactivating substituents.
Subsequently, the sulfalkenylated acetanilides were investigated in further reactions. For this purpose, a reaction sequence consisting of a deacetylation-diazotisation-coupling reaction was used to convert the acetamide group into a leaving group and then to couple it in a MATSUDA-HECK reaction. With this method, several 1,2-dialkenylbenzenes could be obtained and the CDG was used one more time. In addition to transferring the CDG into a leaving group, it could also be integrated into the synthesis of various heterocycles. First, a 1,3 cycloaddition was carried out by deprotonated tosylmethylisocanide on the electron-deficient sulfalkenyl group for the synthesis of pyrroles. This was followed by coupling of the pyrrole function and the CDG by cyclocondensation, producing quinolines. Through these syntheses, sulfur analogues of the natural product marinoquionoline A could be obtained.
Another transition metal-catalysed C-H activation reaction, the MATSUDA-HECK reaction, was used to arylate 1b with different subtituted aryldiazonium salts. Numerous styrenyl sulfones were obtained. Vinylsulfonyl compounds could not be used in cross-metathesis reactions within this work. Therefore, the synthesis of different dialkenylated sulfonamides was carried out. For this purpose, the chain length of the alkenyl group was varied between 2-3 at the sulfur atom and 3-4 at the nitrogen atom. The dialkenylated sulfonamides were used in the previously investigated C-H activation methods.
N-allyl-N-phenylethensulfonamide (3) was successfully functionalised using the DHR and HECK reaction. Here, a method-specific coupling took place depending on the electron density of the corresponding alkenyl group. The DHR led to selective arylation at the vinyl group and the HECK reaction to selective arylation at the allyl group. Mixed products were not obtained. For the other diolefins, complex mixtures of products were obtained. Furthermore, the diolefins were investigated in ring closing metathesis reaction and the corresponding sultams were obtained in very good yields. The use of the synthesised sultams in C-H activation was unsuccessful. It is suggested that for these di-substituted sulfonamides the existing reaction conditions need to be optimised.
Finally, various enantiomerically pure olefins were prepared starting from levoglucosenone. For this purpose, levoglucosenone was first reacted with an allyl-Grignard and 3 butenyl-Grignard reagent. The corresponding products were obtained in moderate yields. Another method started with the reduction of levoglucosenone to levoglucosenol. This alcohol was successfully etherified with allyl bromide. In addition to the studies on ether synthesis, the esterification of levoglucosenol with various sulfonyl chlorides to the corresponding sulfonic acid esters was carried out. These olefins were investigated in a domino metathesis reaction. Starting with allyl levoglucosenyl ether, the synthesis of a dihydrofuran was presented.
KW  - Vinylsulfonylverbindungen
KW  - Übergangsmetallkatalyse
KW  - vinyl sulfonyl compounds
KW  - transition metal catalysis
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-536879
ER  - 
TY  - THES
A1  - Saretia, Shivam
T1  - Modulating ultrathin films of semi-crystalline oligomers by Langmuir technique
T1  - Modulation ultradünner Filme aus semikristalliner Oligomere durch Langmuir-Technik
N2  - 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.
N2  - 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.
KW  - polymer
KW  - poly(ε-caprolactone)
KW  - 2D material
KW  - ultrathin film
KW  - single crystals
KW  - crystallization
KW  - melting
KW  - degradation
KW  - hydrolysis
KW  - reactions
KW  - substrate
KW  - end-groups
KW  - hydroxy
KW  - methacrylate
KW  - Polymer
KW  - Poly(ε-caprolacton)
KW  - 2D-Material
KW  - Beschichtungen
KW  - Ultradünne Filme
KW  - Einkristalle
KW  - Kristallisation
KW  - Schmelz
KW  - Abbau
KW  - Hydrolyse
KW  - Reaktion
KW  - Substrat
KW  - Hydroxyl
KW  - Methacrylat
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-542108
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schutjajew, Konstantin
T1  - Electrochemical sodium storage in non-graphitizing carbons - insights into mechanisms and synthetic approaches towards high-energy density materials
T1  - Elektrochemische Natriumspeicherung in nicht-graphitisierbaren Kohlenstoffen - Untersuchungen zu Mechanismen und synthetische Ansätze für die Darstellung von Materialien mit hohen Energiedichten
N2  - To achieve a sustainable energy economy, it is necessary to turn back on the combustion of fossil fuels as a means of energy production and switch to renewable sources. However, their temporal availability does not match societal consumption needs, meaning that renewably generated energy must be stored in its main generation times and allocated during peak consumption periods. Electrochemical energy storage (EES) in general is well suited due to its infrastructural independence and scalability. The lithium ion battery (LIB) takes a special place, among EES systems due to its energy density and efficiency, but the scarcity and uneven geological occurrence of minerals and ores vital for many cell components, and hence the high and fluctuating costs will decelerate its further distribution. 
The sodium ion battery (SIB) is a promising successor to LIB technology, as the fundamental setup and cell chemistry is similar in the two systems. Yet, the most widespread negative electrode material in LIBs, graphite, cannot be used in SIBs, as it cannot store sufficient amounts of sodium at reasonable potentials. Hence, another carbon allotrope, non-graphitizing or hard carbon (HC) is used in SIBs. This material consists of turbostratically disordered, curved graphene layers, forming regions of graphitic stacking and zones of deviating layers, so-called internal or closed pores.
The structural features of HC have a substantial impact of the charge-potential curve exhibited by the carbon when it is used as the negative electrode in an SIB. At defects and edges an adsorption-like mechanism of sodium storage is prevalent, causing a sloping voltage curve, ill-suited for the practical application in SIBs, whereas a constant voltage plateau of relatively high capacities is found immediately after the sloping region, which recent research attributed to the deposition of quasimetallic sodium into the closed pores of HC.
Literature on the general mechanism of sodium storage in HCs and especially the role of the closed pore is abundant, but the influence of the pore geometry and chemical nature of the HC on the low-potential sodium deposition is yet in an early stage. Therefore, the scope of this thesis is to investigate these relationships using suitable synthetic and characterization methods. Materials of precisely known morphology, porosity, and chemical structure are prepared in clear distinction to commonly obtained ones and their impact on the sodium storage characteristics is observed. Electrochemical impedance spectroscopy in combination with distribution of relaxation times analysis is further established as a technique to study the sodium storage process, in addition to classical direct current techniques, and an equivalent circuit model is proposed to qualitatively describe the HC sodiation mechanism, based on the recorded data. The obtained knowledge is used to develop a method for the preparation of closed porous and non-porous materials from open porous ones, proving not only the necessity of closed pores for efficient sodium storage, but also providing a method for effective pore closure and hence the increase of the sodium storage capacity and efficiency of carbon materials. 
The insights obtained and methods developed within this work hence not only contribute to the better understanding of the sodium storage mechanism in carbon materials of SIBs, but can also serve as guidance for the design of efficient electrode materials.
N2  - Eine nachhaltige Energiewirtschaft kann nur durch die Abkehr von fossilen Brennstoffen als Energiequellen und den ausschließlichen Einsatz erneuerbarer Quellen für die Energieerzeugung erreicht werden. Da diese jedoch naturgemäß nur diskontinuierlich zur Verfügung stehen und sich die tageszeitliche Verfügbarkeit kaum mit dem Bedarf deckt, muss erneuerbar gewonnene Energie zwischengespeichert werden. Dies kann mittels elektrochemischer Energiespeicher geschehen, wobei sich die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Effizienz besonders dafür eignet. Da jedoch Ressourcen, welche für entscheidende Zellkomponenten der LIB benötigt werden, knapper werden und oft in geopolitisch komplizierten Regionen vorkommen, muss auch dafür eine Alternative gefunden werden. Die Natrium-Ionen-Batterie (NIB) bietet sich als Nachfolger für LIBs an, da sich die Zellchemie der beiden Systeme ähnelt und somit Kenntnisse direkt aus der LIB-Forschung übernommen werden können. Es erweist sich allerdings als problematisch, dass das kommerziell wichtigste negative Elektrodenmaterial in LIBs, Graphit, nicht für die Anwendung in NIBs eignet und daher eine andere Kohlenstoffmodifikation, sogenannter nicht-graphitisierbarer Kohlenstoff, oder aus dem Englischen hard carbon (HC), verwendet werden muss. HC ist durch eine besondere Art der Fehlordnung geprägt und besteht im Wesentlichen aus Regionen, in denen die Kohlenstoffschichten parallel zueinander verlaufen und aus Regionen, in denen die Schichten innere Hohlräume, sogenannte geschlossene Poren bilden. Die Lade-Entladekurve von HCs ist geprägt von diesen Strukturmerkmalen, sodass sie in einen linear-abflachenden, aus dem Englischen sloping Bereich, und einen Plateaubereich unterteilt werden kann. Die Speicherung im für Energieanwendungen relevanteren Plateaubereich erfolgt durch Abscheidung quasimetallischer Natriumstrukturen in eingangs erwähnten geschlossenen Poren, bei geringen, konstanten Spannungen, wie zahlreiche Forschungsarbeiten unter Berufung auf verschiedene Strukturcharakterisierungsmethoden � uberzeugend nahelegen. Jedoch ist über den Einfluss der Größe und Form der geschlossenen Poren sowie derer chemischer Eigenschaften auf die Natriumspeicherung nur wenig bekannt.
Eben diese Fragestellung soll in der vorliegenden Arbeit behandelt werden. Durch die Herstellung von Materialien mit genau definierter und bekannter Morphologie, Porenstruktur sowie chemischer Beschaffenheit wird die Bedeutung dieser Merkmale für die Natriumabscheidung bei geringen Potentialen beleuchtet. Mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie wird desweiteren der Natriumspeichermechanismus detailliert untersucht und die Kinetik der reversiblen Natriumspeicherung mit der der irreversiblen Metallabscheidung verglichen, wobei eine bemerkenswerte Ähnlichkeit der beiden Prozesse zu beobachten ist. Abschließend ist die gezielte Herstellung geschlossenporiger Materialien aus offenporigen Vorläufermaterialien gelungen, welche es nicht nur ermöglicht, geschlossen- und offenporige Materialien ansonsten gleicher Porenstruktur zu vergleichen und die Notwendigkeit geschlossener Poren nachzuweisen, sondern auch die Speicherkapazität und Effizienz der Elektrodenmaterialien zu erhöhen. Insgesamt tragen die im Rahmen der vorliegenden Dissertation gewonnenen Erkenntisse nicht nur zum tiefergehenden Verständnis des Natriumspeichermechanismus in HCs bei, sondern es werden auch synthetische und analytische Methoden vorgestellt, die der weiteren Forschung auf diesem Gebiet dienen werden.
KW  - sodium-ion batteries
KW  - energy storage
KW  - carbon
KW  - Natrium-Ionen-Akkumulator
KW  - Energiespeicher
KW  - Kohlenstoff
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-541894
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yan, Wan
T1  - Shape-Memory effects of thermoplatic multiblock copolymers with overlapping thermal transitions
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhao, Yuhang
T1  - Synthesis and surface functionalization on plasmonic nanoparticles for optical applications
N2  - This thesis focuses on the synthesis of novel functional materials based on plasmonic nanoparticles. Three systems with targeted surface modification and functionalization have been designed and synthesized, involving modified perylenediimide doped silica-coated silver nanowires, polydopamine or TiO2 coated gold-palladium nanorods and thiolated poly(ethylene glycol) (PEG-SH)/dodecanethiol (DDT) modified silver nanospheres. Their possible applications as plasmonic resonators, chiral sensors as well as photo-catalysts have been studied. In addition, the interaction between silver nanospheres and 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (F4TCNQ) molecules has also been investigated in detail.
In the first part of the thesis, surface modification on Ag nanowires (NWs) with optimized silica coating through a modified Stöber method has been firstly conducted, employing sodium hydroxide (NaOH) to replace ammonia solution (NH4OH). The coated silver nanowires with a smooth silica shell have been investigated by single-particle dark-field scattering spectroscopy, transmission electron microscopy and electron-energy loss spectroscopy to characterize the morphologies and structural components. The silica-coated silver nanowires can be further functionalized with fluorescent molecules in the silica shell via a facile one-step coating method. The as-synthesized nanowire is further coupled with a gold nanosphere by spin-coating for the application of the sub-diffractional chiral sensor for the first time. The exciton-plasmon-photon interconversion in the system eases the signal detection in the perfectly matched 1D nanostructure and contributes to the high contrast of the subwavelength chiral sensing for the polarized light.
In the second part of the thesis, dumbbell-shaped Au-Pd nanorods coated with a layer of polydopamine (PDA) or titanium dioxide (TiO2) have been constructed. The PDA- and TiO2- coated Au-Pd nanorods show a strong photothermal conversion performance under NIR illumination. Moreover, the catalytic performance of the particles has been investigated using the reduction of 4-nitrophenol (4-NP) as the model reaction. Under light irradiation, the PDA-coated Au-Pd nanorods exhibit a superior catalytic activity by increasing the reaction rate constant of 3 times. The Arrhenius-like behavior of the reaction with similar activation energies in the presence and absence of light irradiation indicates the photoheating effect to be the dominant mechanism of the reaction acceleration. Thus, we attribute the enhanced performance of the catalysis to the strong photothermal effect that is driven by the optical excitation of the gold surface plasmon as well as the synergy with the PDA layer.
In the third part, the kinetic study on the adsorption of 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquino-dimethane (F4TCNQ) on the surface of Ag nanoparticles (Ag NPs) in chloroform has been reported in detail. Based on the results obtained from the UV-vis-NIR absorption spectroscopy, cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM), scanning nano-beam electron diffraction (NBED) and electron energy loss spectroscopy (EELS), a two-step interaction kinetics has been proposed for the Ag NPs and F4TCNQ molecules. It includes the first step of electron transfer from Ag NPs to F4TCNQ indicated by the ionization of F4TCNQ, and the second step of the formation of Ag-F4TCNQ complex. The whole process has been followed via UV-vis-NIR absorption spectroscopy, which reveals distinct kinetics at two stages: the instantaneous ionization and the long-term complex formation. The kinetics and the influence of the molar ratio of Ag NPs/F4TCNQ molecules on the interaction between Ag NPs and F4TCNQ molecules in the organic solution are reported herein for the first time. Furthermore, the control experiment with silica-coated Ag NPs indicates that the charge transfer at the surface between Ag NPs and F4TCNQ molecules has been prohibited by a silica layer of 18 nm.
KW  - plasmonic nanoparticles
KW  - silica
KW  - polydopamine
KW  - TiO2
KW  - chiral sensing
KW  - catalysis
KW  - surface interaction
Y1  - 2021
ER  -