TY - THES A1 - Jordan, Thomas T1 - CxNy-materials from supramolecular precursors for “All-Carbon” composite materials T1 - CxNy-Materialien aus supramolekularen Precursoren für „All-Carbon“-Komposit-Materialien N2 - Among modern functional materials, the class of nitrogen-containing carbons combines non-toxicity and sustainability with outstanding properties. The versatility of this materials class is based on the opportunity to tune electronic and catalytic properties via the nitrogen content and –motifs: This ranges from the electronically conducting N-doped carbon, where few carbon atoms in the graphitic lattice are substituted by nitrogen, to the organic semiconductor graphitic carbon nitride (g-C₃N₄), with a structure based on tri-s-triazine units. In general, composites can reveal outstanding catalytic properties due to synergistic behavior, e.g. the formation of electronic heterojunctions. In this thesis, the formation of an “all-carbon” heterojunction was targeted, i.e. differences in the electronic properties of the single components were achieved by the introduction of different nitrogen motives into the carbon lattice. Such composites are promising as metal-free catalysts for the photocatalytic water splitting. Here, hydrogen can be generated from water by light irradiation with the use of a photocatalyst. As first part of the heterojunction, the organic semiconductor g-C₃N₄ was employed, because of its suitable band structure for photocatalytic water splitting, high stability and non-toxicity. The second part was chosen as C₂N, a recently discovered semiconductor. Compared to g-C₃N₄, the less nitrogen containing C₂N has a smaller band gap and a higher absorption coefficient in the visible light range, which is expected to increase the optical absorption in the composite eventually leading to an enhanced charge carrier separation due to the formation of an electronic heterojunction. The aim of preparing an “all-carbon” composite included the research on appropriate precursors for the respective components g-C₃N₄ and C₂N, as well as strategies for appropriate structuring. This was targeted by applying precursors which can form supramolecular pre-organized structures. This allows for more control over morphology and atom patterns during the carbonization process. In the first part of this thesis, it was demonstrated how the photocatalytic activity of g-C₃N₄ can be increased by the targeted introduction of defects or surface terminations. This was achieved by using caffeine as a “growth stopping” additive during the formation of the hydrogen-bonded supramolecular precursor complexes. The increased photocatalytic activity of the obtained materials was demonstrated with dye degradation experiments. The second part of this thesis was focused on the synthesis of the second component C₂N. Here, a deep eutectic mixture from hexaketocyclohexane and urea was structured using the biopolymer chitosan. This scaffolding resulted in mesoporous nitrogen-doped carbon monoliths and beads. CO₂- and dye-adsorption experiments with the obtained monolith material revealed a high isosteric heat of CO₂-adsorption and showed the accessibility of the monolithic pore system to larger dye molecules. Furthermore, a novel precursor system for C₂N was explored, based on organic crystals from squaric acid and urea. The respective C₂N carbon with an unusual sheet-like morphology could be synthesized by carbonization of the crystals at 550 °C. With this precursor system, also microporous C₂N carbon with a BET surface area of 865 m²/g was obtained by “salt-templating” with ZnCl₂. Finally, the preparation of a g-C₃N₄/C₂N “all carbon” composite heterojunction was attempted by the self-assembly of g-C₃N₄ and C₂N nanosheets and tested for photocatalytic water splitting. Indeed, the composites revealed high rates of hydrogen evolution when compared to bulk g-C₃N₄. However, the increased catalytic activity was mainly attributed to the high surface area of the nanocomposites rather than to the composition. With regard to alternative composite synthesis ways, first experiments indicated N-Methyl-2-pyrrolidon to be suitable for higher concentrated dispersion of C₂N nanosheets. Eventually, the results obtained in this thesis provide precious synthetic contributions towards the preparation and processing of carbon/nitrogen compounds for energy applications. N2 - Eine interessante Materialklasse für technologische Anwendungen sind Kohlenstoff/Stickstoff-Materialien, die sich durch Ungiftigkeit und Umweltfreundlichkeit bei gleichzeitig interessanten katalytischen Eigenschaften auszeichnen. Die Vielseitigkeit dieser Materialkasse basiert auf der Möglichkeit ihre katalytischen und elektronischen Eigenschaften über Stickstoff-Anteil und –Funktionalitäten zu beeinflussen. Die vorliegende Arbeit fokussierte sich auf Komposite zwischen verschiedenen Kohlenstoff/Stickstoff-Derivaten, für welche aufgrund ihrer unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften die Bildung elektronischer Heteroübergänge erwartet werden kann. Solche Komposite sind vielversprechende Materialien für die Erzeugung von Wasserstoff durch die photokatalytische Spaltung von Wasser. Für die eine Komponente des Komposits wurde das graphitische Kohlenstoffnitrid g-C₃N₄ eingesetzt, welches durch seine elektronische Struktur und Stabilität ein geeignetes Material für die photokatalytische Wasserspaltung ist. Für die andere Komponente des Komposits wurde eine erst kürzlich erstmalig beschriebene Kohlenstoff/Stickstoff Verbindung eingesetzt, das Kohlenstoffnitrid C₂N. Für dieses Komposit ist eine im Vergleich zu den einzelnen Komponenten stark erhöhte photokatalytische Aktivität zu erwarten. Neben dem Ziel der Herstellung eines solchen Komposits, fokussierte sich diese Arbeit auch darauf, neue Wege zur Synthese und Strukturierung der einzelnen Komponenten zu entwickeln. Dies sollte über supramolekulare Präkursor-Komplexe erfolgen, mit welchen eine erhöhte Einflussnahme auf Karbonisierungsprozesse erlangt werden kann. Im ersten Teil der Arbeit, welcher auf das graphitische Kohlenstoffnitrid g-C₃N₄ fokussiert war, wurde gezeigt wie die photokatalytische Aktivität dieser Komponente durch den gezielten Einbau von Defekten erhöht werden kann. Dies wurde über einen durch Koffein modifizierten supramolekularen Komplex als Präkursor erreicht. Die erhöhte photokatalytische Aktivität wurde über Farbstoff-Zersetzung nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit war auf die Herstellung und Strukturierung der neuartigen Verbindung C₂N fokussiert. Hier wurde gezeigt, wie eine eutektische Mischung zwischen Hexaketocyclohexan und Harnstoff als C₂N-Präkursor mit dem Polysaccharid Chitosan strukturiert werden kann. Hierbei wurden poröse Stickstoffhaltige Kohlenstoff-Monolithen und -Perlen erhalten, die eine hohe Adsorptionswärme für die CO₂-Adsorption zeigten. Weiterhin wurde ein neuartiger Präkursor für C₂N vorgestellt, eine organisch-kristalline Verbindung zwischen Quadratsäure und Harnstoff. Durch Karbonisation dieser Verbindung bei 550 °C wurde ein Material mit einer Zusammensetzung von C₂N und einer ungewöhnlichen, schichtartigen Morphologie erhalten. Über eine eutektische Salzschmelze mit Zinkchlorid, konnte mit diesem Präkursor-System auch mikroporöser C₂N-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von 865 m²/g hergestellt werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die Herstellung des g-C₃N₄/C₂N-Komposits versucht, über die Selbstassemblierung von kolloidal dispergierten g-C₃N₄- und C₂N-Nanopartikeln. Die Nanopartikel wurden über Ultraschall-Behandlungen von Dispersionen dieser Komponenten hergestellt. Die erhaltenen Komposite zeigten eine hohe Aktivität zur photokatalytischen Wasserspaltung, wobei dies eher auf die hohe Oberfläche der Nanopartikel als auf ihre Zusammensetzung zurückgeführt wurde. Im Hinblick auf mögliche Alternativen zur Kompositherstellung, wurden erste Experimente zu höher konzentrierten kolloidalen Dispersionen von C₂N in dem organischen Lösungsmittel N-Methyl-2-pyrrolidon durchgeführt. Zusammenfassend, die Ergebnisse die in dieser Arbeit erhalten wurden, liefern einen wertvollen Beitrag zur Synthese und Strukturierung von Kohlenstoff/Stickstoff-Materialien sowie deren Anwendungen im Bereich alternative Energien. KW - carbon nitrides KW - supramolecular chemistry KW - porous materials KW - composite materials KW - photocatalysis KW - Kohlenstoffnitride KW - supramolekulare Chemie KW - poröse Materialien KW - Komposite KW - Photokatalyse Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398855 ER - TY - THES A1 - Glatzel, Stefan T1 - Cellulose based transition metal nano-composites : structuring and development T1 - Zellulose-basierte Übergangsmetall Nano-Komposite : Strukturierung und Entwicklung N2 - Cellulose is the most abundant biopolymer on earth. In this work it has been used, in various forms ranging from wood to fully processed laboratory grade microcrystalline cellulose, to synthesise a variety of metal and metal carbide nanoparticles and to establish structuring and patterning methodologies that produce highly functional nano-hybrids. To achieve this, the mechanisms governing the catalytic processes that bring about graphitised carbons in the presence of iron have been investigated. It was found that, when infusing cellulose with an aqueous iron salt solution and heating this mixture under inert atmosphere to 640 °C and above, a liquid eutectic mixture of iron and carbon with an atom ratio of approximately 1:1 forms. The eutectic droplets were monitored with in-situ TEM at the reaction temperature where they could be seen dissolving amorphous carbon and leaving behind a trail of graphitised carbon sheets and subsequently iron carbide nanoparticles. These transformations turned ordinary cellulose into a conductive and porous matrix that is well suited for catalytic applications. Despite these significant changes on the nanometre scale the shape of the matrix as a whole was retained with remarkable precision. This was exemplified by folding a sheet of cellulose paper into origami cranes and converting them via the temperature treatment in to magnetic facsimiles of those cranes. The study showed that the catalytic mechanisms derived from controlled systems and described in the literature can be transferred to synthetic concepts beyond the lab without loss of generality. Once the processes determining the transformation of cellulose into functional materials were understood, the concept could be extended to other metals and metal-combinations. Firstly, the procedure was utilised to produce different ternary iron carbides in the form of MxFeyC (M = W, Mn). None of those ternary carbides have thus far been produced in a nanoparticle form. The next part of this work encompassed combinations of iron with cobalt, nickel, palladium and copper. All of those metals were also probed alone in combination with cellulose. This produced elemental metal and metal alloy particles of low polydispersity and high stability. Both features are something that is typically not associated with high temperature syntheses and enables to connect the good size control with a scalable process. Each of the probed reactions resulted in phase pure, single crystalline, stable materials. After showing that cellulose is a good stabilising and separating agent for all the investigated types of nanoparticles, the focus of the work at hand is shifted towards probing the limits of the structuring and pattering capabilities of cellulose. Moreover possible post-processing techniques to further broaden the applicability of the materials are evaluated. This showed that, by choosing an appropriate paper, products ranging from stiff, self-sustaining monoliths to ultra-thin and very flexible cloths can be obtained after high temperature treatment. Furthermore cellulose has been demonstrated to be a very good substrate for many structuring and patterning techniques from origami folding to ink-jet printing. The thereby resulting products have been employed as electrodes, which was exemplified by electrodepositing copper onto them. Via ink-jet printing they have additionally been patterned and the resulting electrodes have also been post functionalised by electro-deposition of copper onto the graphitised (printed) parts of the samples. Lastly in a preliminary test the possibility of printing several metals simultaneously and thereby producing finely tuneable gradients from one metal to another have successfully been made. Starting from these concepts future experiments were outlined. The last chapter of this thesis concerned itself with alternative synthesis methods of the iron-carbon composite, thereby testing the robustness of the devolved reactions. By performing the synthesis with partly dissolved scrap metal and pieces of raw, dry wood, some progress for further use of the general synthesis technique were made. For example by using wood instead of processed cellulose all the established shaping techniques available for wooden objects, such as CNC milling or 3D prototyping, become accessible for the synthesis path. Also by using wood its intrinsic well defined porosity and the fact that large monoliths are obtained help expanding the prospect of using the composite. It was also demonstrated in this chapter that the resulting material can be applied for the environmentally important issue of waste water cleansing. Additionally to being made from renewable resources and by a cheap and easy one-pot synthesis, the material is recyclable, since the pollutants can be recovered by washing with ethanol. Most importantly this chapter covered experiments where the reaction was performed in a crude, home-built glass vessel, fuelled – with the help of a Fresnel lens – only by direct concentrated sunlight irradiation. This concept carries the thus far presented synthetic procedures from being common laboratory syntheses to a real world application. Based on cellulose, transition metals and simple equipment, this work enabled the easy one-pot synthesis of nano-ceramic and metal nanoparticle composites otherwise not readily accessible. Furthermore were structuring and patterning techniques and synthesis routes involving only renewable resources and environmentally benign procedures established here. Thereby it has laid the foundation for a multitude of applications and pointed towards several future projects reaching from fundamental research, to application focussed research and even and industry relevant engineering project was envisioned. N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Strukturierung von Nanokompositen, d.h. mit ausgedehnten Strukturen, welche Nanopartikel enthalten. Im Zuge der Arbeit wurde der Mechanismus der katalytischen Graphitisierung, ein Prozess, bei dem ungeordneter Kohlenstoff durch metallische Nanopartikel in geordneten (graphitischen) Kohlenstoff überführt wird, aufgeklärt. Dies wurde exemplarisch am Beispiel von Zellulose und Eisen durchgeführt. Die untersuchte Synthese erfolgte durch das Lösen eines Eisensalzes in Wasser und die anschließende Zugabe von so viel Zellulose, dass das die gesamte Eisensalzlösung aufgenommen wurde. Die so erhaltene Mischung wurde anschließend unter Schutzgas innerhalb kürzester Zeit auf 800 °C erhitzt. Hierbei zeigte sich, dass zu Beginn der Reaktion Eisenoxidnanopartikel (Rost) auf der Oberfläche der Zellulose entstehen. Beim weiteren Erhöhen der Temperatur werden diese Partikel zu Eisenpartikeln umgewandelt. Diese lösen dann kleine Bereiche der Zellulose auf, wandeln sich in Eisenkarbid um und scheiden graphitischen Kohlenstoff ab. Nach der Reaktion sind die Zellulosefasern porös, jedoch bleibt ihre Faserstruktur vollkommen erhalten. Dies konnte am Beispiel eines Origamikranichs gezeigt werden, welcher nach dem Erhitzen zwar seine Farbe von Weiß zu Schwarz verändert hatte, ansonsten aber seine Form vollkommen beibehält. Aufgrund der eingebetteten Eisenkarbid Nanopartikel war der Kranich außerdem hochgradig magnetisch. Basierend auf dieser Technik wurden außerdem winzige metallische Nanopartikel aus Nickel, Nickel-Palladium, Nickel-Eisen, Kobalt, Kobalt-Eisen und Kupfer, sowie Partikel aus den Verbundkarbiden Eisen-Mangan-Karbid und Eisen-Wolfram-Karbid, jeweils in verschiedenen Mischungsverhältnissen, hergestellt und analysiert. Da die Vorstufe der Reaktion flüssig ist, konnte diese mit Hilfe eines einfachen kommerziellen Tintenstrahldruckers strukturiert auf Zellulosepapier aufgebracht werden. Dies ermöglicht gezielt Leiterbahnen, bestehend aus graphitisiertem Kohlenstoff, in ansonsten ungeordnetem (amorphen) Kohlenstoff zu erzeugen. Diese Methode wurde anschließend auf Systeme mit mehreren Metallen übertragen. Hierbei wurde die Tatsache, dass moderne Drucker vier Tintenpatronen beherbergen, ausgenutzt um Nanopartikel mit beliebigen Mischungsverhältnisse von Metallen zu erzeugen. Dieser Ansatz hat potentiell weitreichende Auswirkungen im Feld der Katalyse, da hiermit hunderte oder gar tausende Mischungen simultan erzeugt und getestet werden können. Daraus würden sich große Zeiteinsparungen (Tage anstelle von Monaten) bei der Entwicklung neuer Katalysatoren ergeben. Der letzte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der umweltfreundlichen Synthese der obengenannten Komposite. Hierbei wurden erfolgreich Altmetall und Holzstücke als Ausgangstoffe verwandt. Zusätzlich wurde gezeigt, dass die gesamte Synthese ohne Verwendung von hochentwickeltem Equipment durchgeführt werden kann. Dazu wurde eine sogenannte Fresnel-Linse genutzt um Sonnenlicht zu bündeln und damit direkt die Reaktionsmischung auf die benötigten 800 °C zu erhitzen. Weiterhin wurde ein selbst gebauter Glasreaktor eingesetzt und gezeigt, wie das entstehende Produkt als Abwasserfilter genutzt werden kann. Die Kombination dieser Ergebnisse bedeutet, dass dieses System sich beispielsweise zum Einsatz in Katastrophenregionen eignen würde, um ohne Strom und besondere Ausrüstung vor Ort Wasserfilter herzustellen. KW - Zellulose KW - Übergangsmetalle KW - Carbide KW - Nanopartikel KW - Komposite KW - Cellulose KW - Transitionmetals KW - Carbides KW - Nanoparticles KW - Composites Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64678 ER - TY - THES A1 - Fettkenhauer, Christian T1 - Ionothermale Synthese funktioneller Kohlenstoffnitrid basierter Materialien T1 - Ionothermal synthesis of functional carbon nitride based materials N2 - Die Doktorarbeit behandelt die Synthese Kohlenstoffnitrid basierter Materialien in eutektischen Mischungen bivalenter Metallchloride. Der Fokus liegt dabei auf ZnCl2-, SnCl2- und CoCl2-haltigen eutektischen Mischungen, in denen die Kondensation gebräuchlicher organischer Precursoren durchgeführt wird. Im Rahmen dessen wird untersucht wie durch die Reaktionsführung in Salzschmelzen unterschiedlicher Lewis-Acidität, neben der Molekülstruktur andere charakteristische Eigenschaften, wie Morphologie, Kristallinität und spezifische Oberflächen, der Materialien kontrolliert werden können. Darüber hinaus werden die optischen Eigenschaften der Materialien erörtert und in diesem Zusammenhang die Eignung als Photokatalysatoren für den oxidativen Abbau organischer Farbstoffe und für die photokatalytische Wasserreduktion bzw. –oxidation untersucht. Zusätzlich wird gezeigt, wie im System LiCl/KCl in einem einstufigen Prozess edelmetallfreie Kohlenstoffnitrid Komposite zur photokatalytischen Wasserreduktion hergestellt werden können. N2 - The thesis deals with the synthesis of carbon nitride based materials in eutectic mixtures of bivalent metal chlorides. The focus is on ZnCl2, SnCl2 and CoCl2 containing eutectic mixtures in which the condensation reaction of classical organic precursors is carried out. In this context, it is investigated how to control molecular structure and other materials properties, like morphology, crystallinity and specific surface areas by using salt melts of different Lewis acidity. Moreover optical properties of the materials are discussed and in this connection their suitability as photocatalysts for dye degradation and photocatalytic water reduction and oxidation is investigated. Additionally it is demonstrated how to produce noble metal free carbon nitride composites in LiCl/KCl melt for photocatalytic water reduction. KW - Kohlenstoffnitride KW - ionothermal KW - Komposite KW - Photokatalyse KW - Wasserstoff KW - carbon nitride KW - ionothermal KW - composites KW - photocatalysis KW - hydrogen Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78087 ER -