TY  - THES
A1  - Lepre, Enrico
T1  - Nitrogen-doped carbonaceous materials for energy and catalysis
N2  - Facing the environmental crisis, new technologies are needed to sustain our society. In this context, this thesis aims to describe the properties and applications of carbon-based sustainable materials. In particular, it reports the synthesis and characterization of a wide set of porous carbonaceous materials with high nitrogen content obtained from nucleobases. These materials are used as cathodes for Li-ion capacitors, and a major focus is put on the cathode preparation, highlighting the oxidation resistance of nucleobase-derived materials. Furthermore, their catalytic properties for acid/base and redox reactions are described, pointing to the role of nitrogen speciation on their surfaces. Finally, these materials are used as supports for highly dispersed nickel loading, activating the materials for carbon dioxide electroreduction.
N2  - Angesichts der Umweltkrise werden neue Technologien benötigt, um unsere Gesellschaft zu erhalten. In diesem Zusammenhang zielt diese Arbeit darauf ab, die Eigenschaften und Anwendungen von nachhaltigen Materialien auf Kohlenstoffbasis zu untersuchen. Insbesondere wird über die Synthese und Charakterisierung eines breiten Spektrums poröser, kohlenstoffhaltiger Materialien berichtet, welche einen hohen Stickstoffgehalt, besitzen und aus Nukleobasen gewonnen werden. Diese Materialien werden als Kathoden für Li-Ionen-Kondensatoren verwendet, wobei der Schwerpunkt auf der Kathodenherstellung liegt und die Oxidationsbeständigkeit, der aus Nukleobasen gewonnenen Materialien, hervorgehoben wird. Darüber hinaus werden ihre katalytischen Eigenschaften für Säure/Base- und Redoxreaktionen beschrieben, wobei die Rolle der Speziierung des Stickstoffs auf ihren Oberflächen hervorgehoben wird. Schließlich werden diese Materialien als Träger für eine hochdisperse Beladung mit Nickel verwendet, wodurch die Materialien für die Kohlendioxid Elektroreduktion aktiviert werden.
KW  - heteroatom-doped carbons
KW  - heteroatom-dotierte Kohlenstoffe
KW  - porous materials
KW  - poröse Materialien
KW  - salt melt templating
KW  - Salzschmelze-Templating
KW  - heterogeneous catalysis
KW  - heterogene Katalyse
KW  - single-atom catalysis
KW  - Einzelatomkatalyse
KW  - Li-ion capacitor
KW  - Li-Ionen-Kondensator
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577390
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Perovic, Milena
A1  - Aloni, Sapir Shekef
A1  - Mastai, Yitzhak
A1  - Oschatz, Martin
T1  - Mesoporous carbon materials with enantioselective surface obtained by nanocasting for selective adsorption of chiral molecules from solution and the gas phase
JF  - Carbon
N2  - Separation of enantiomers is an everlasting challenge in chemistry, catalysis, and synthesis of pharmaceuticals. The design and fabrication of chiral adsorbent materials is a promising way to increase the surface area of chiral information, as well as to maximize the available surface for the adsorption of one enantiomer. Porous materials such as silica or metal-organic-frameworks are established compounds in this field, due to their well-defined surface structure and ease of functionalization with chiral groups. As another class of porous materials, carbons provide the advantages of high thermal and chemical stability, resistance against moisture, electrical conductivity, and widely tunable pore size. Although they are well established in many adsorption-related applications, carbons received far less attention in enantioselective adsorption processes because the controlled functionalization of their surface is rather difficult due to the chemically heterogeneous atoms in the network. A suitable approach to overcome this limitation is the synthesis of chiral carbons directly from chiral precursors. So far, chiral carbons synthesized from chiral precursors used salt-templating as a way of introducing porosity, which resulted in mainly microporous materials or materials with broad pore size distribution. In the present study, the possibility of combining nanocasting as an alternative templating approach with chiral ionic liquids as a carbon precursor is demonstrated. Chiral recognition is measured in the gas phase, by adsorption of chiral gas, as well as in the solution, by using isothermal titration calorimetry. (C) 2020 Elsevier Ltd. All rights reserved.
KW  - mesoporous carbon
KW  - chiral carbon
KW  - porous materials
KW  - enantiomers
KW  - separation
KW  - chiral recognition
KW  - adsorption
Y1  - 2020
U6  - https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.08.010
SN  - 0008-6223
SN  - 1873-3891
VL  - 170
SP  - 550
EP  - 557
PB  - Elsevier
CY  - Oxford
ER  - 
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  - Pampel, Jonas
T1  - Ionothermal carbon materials
T1  - Ionothermale Kohlenstoffmaterialien
BT  - advanced synthesis and electrochemical applications
BT  - erweiterte Synthese und elektrochemische Anwendungen
N2  - Alternative concepts for energy storage and conversion have to be developed, optimized and employed to fulfill the dream of a fossil-independent energy economy. Porous carbon materials play a major role in many energy-related devices. Among different characteristics, distinct porosity features, e.g., specific surface area (SSA), total pore volume (TPV), and the pore size distribution (PSD), are important to maximize the performance in the final device. In order to approach the aim to synthesize carbon materials with tailor-made porosity in a sustainable fashion, the present thesis focused on biomass-derived precursors employing and developing the ionothermal carbonization.
During the ionothermal carbonization, a salt melt simultaneously serves as solvent and porogen. Typically, eutectic mixtures containing zinc chloride are employed as salt phase. The first topic of the present thesis addressed the possibility to precisely tailor the porosity of ionothermal carbon materials by an experimentally simple variation of the molar composition of the binary salt mixture. The developed pore tuning tool allowed the synthesis of glucose derived carbon materials with predictable SSAs in the range of ~ 900 to ~ 2100 m2 g-1. Moreover, the nucleobase adenine was employed as precursor introducing nitrogen functionalities in the final material. Thereby, the chemical properties of the carbon materials are varied leading to new application fields. Nitrogen doped carbons (NDCs) are able to catalyze the oxygen reduction reaction (ORR) which takes place on the cathodic site of a fuel cell. The herein developed porosity tailoring allowed the synthesis of adenine derived NDCs with outstanding SSAs of up to 2900 m2 g-1 and very large TPV of 5.19 cm3 g-1. Furthermore, the influence of the porosity on the ORR could be directly investigated enabling the precise optimization of the porosity characteristics of NDCs for this application. The second topic addressed the development of a new method to investigate the not-yet unraveled mechanism of the oxygen reduction reaction using a rotating disc electrode setup. The focus was put on noble-metal free catalysts. The results showed that the reaction pathway of the investigated catalysts is pH-dependent indicating different active species at different pH-values. The third topic addressed the expansion of the used salts for the ionothermal approach towards hydrated calcium and magnesium chloride. It was shown that hydrated salt phases allowed the introduction of a secondary templating effect which was connected to the coexistence of liquid and solid salt phases. The method enabled the synthesis of fibrous NDCs with SSAs of up to 2780 m2 g-1 and very large TPV of 3.86 cm3 g-1. Moreover, the concept of active site implementation by a facile low-temperature metalation employing the obtained NDCs as solid ligands could be shown for the first time in the context of ORR.
Overall, the thesis may pave the way towards highly porous carbon with tailor-made porosity materials prepared by an inexpensive and sustainable pathway, which can be applied in energy related field thereby supporting the needed expansion of the renewable energy sector.
N2  - Alternative Konzepte für Energiespeicherung und –umwandlung müssen entwickelt, optimiert und praktisch angewendet werden, um den Traum einer erdölunabhängigen Energiewirtschaft zu realisieren. Poröse Kohlenstoffmaterialien spielen eine bedeutende Rolle in vielen energierelevanten Anwendungen. Speziell die porösen Eigenschaften des Kohlenstoffs, wie die spezifische Oberfläche (engl. specific surface area: SSA), das totale Porenvolumen (engl. total pore volume: TPV) und die Porengrößenverteilung, sind von großer Bedeutung für eine Maximierung der Leistung in der Endanwendung. Die vorliegende Arbeit konzentrierte sich auf den Einsatz und die Weiterentwicklung der ionothermalen Karbonisierung ausgehend von biomassebasierten Präkursoren, um eine nachhaltige Synthese hochporöser Kohlenstoffe mit einstellbarer Porosität zu ermöglichen.
In der ionothermalen Synthese fungieren Salzschmelzen simultan als Lösungsmittel und Porogen während der Karbonisierung. Als Salzphase werden hierbei häufig eutektische Zinkchloridhaltige binäre Salzmischungen verwendet. In der vorliegenden Arbeit wurde im ersten Schritt die Variation der molaren Zusammensetzung der binären Salzphase als neue Methode eingeführt, um eine kontinuierliche Veränderung der Porosität des synthetisierten Kohlenstoffs zu bewirken. Diese Methode erlaubte die Synthese von Glukose-basierten Kohlenstoffen mit einstellbarer SSA zwischen ~ 900 und ~ 2100 m2 g-1. Des Weiteren wurde die Nukleinbase Adenin als Präkursor verwendet, wodurch eine Stickstoffdotierung des finalen Kohlenstoffmaterials erreicht wurde. Die damit einhergehende Veränderung der chemischen Eigenschaften des Materials führt zu neuen Anwendungsbereichen. Stickstoffdotierte Kohlen (engl. nitrogen doped carbons: NDCs) können beispielsweise die Sauerstoffreduktion katalysieren, welche auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle abläuft. Das entwickelte Verfahren zur Einstellung der Porosität erlaubte einerseits die Synthese von Adenin-basierten NDCs mit beeindruckenden SSAs von bis zu 2900 m2 g-1 und extrem hohen TPVs von bis zu 5,19 cm3 g-1. Andererseits konnte der Einfluss der Porosität auf die Sauerstoffreduktion direkt untersucht und infolge dessen die Porosität der NDCs für diese Anwendung optimiert werden. Im zweiten Schritt wurde ein neues Verfahren entwickelt, um mittels der rotierenden Scheibenelektrode den noch nicht geklärten Mechanismus der Sauerstoffreduktion zu untersuchen, vor allem in Bezug auf edelmetallfreie Katalysatoren. Die Ergebnisse zeigten, dass der Reaktionsverlauf der Sauerstoffreduktion pH-Wert abhängig ist. Diese deutet auf verschiedene aktive Spezies in Abhängigkeit des pH-Werts hin. Im dritten Schritt wurde der gezielte Einsatz von hydrierten Salzen (Magnesium- und Calciumchlorid) als Salzphase für die ionothermale Synthese untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Hydrate einen sekundären Templatierungseffekt erlauben, was anhand der Koexistenz von flüssigen und festen Salzphasen erklärt werden konnte. Hierdurch konnten faserartige NDC-Materialien mit SSAs von bis zu 2780 m2 g-1 und TPVs von bis zu 3,86 cm3 g-1 synthetisiert werden. Des Weiteren wurde anhand dieser NDC-Materialien erfolgreich gezeigt, dass es möglich ist sauerstoffreduktionsaktive Spezies durch einfache Metallierung mit Eisenionen bei niedrigen Temperaturen einzuführen.
Zusammenfassend konnte die vorliegende Arbeit die kostengünstige und nachhaltige Synthese hochporöser Materialien mit einstellbarer Porosität zeigen, welche in energierelevanten Bereichen eingesetzt werden können. Hierdurch kann die notwendige Erweiterung des Sektors der erneuerbaren Energien unterstützt werden.
KW  - porous materials
KW  - nitrogen doped carbons
KW  - ORR
KW  - oxygen reduction reaction
KW  - electrocatalysis
KW  - poröse Materialien
KW  - stickstoffdotierte Kohlenstoffe
KW  - ORR
KW  - Sauerstoff Reduktion
KW  - Elektrokatalyse
KW  - ionothermal synthesis
KW  - ionothermale Synthese
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101323
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fechler, Nina
T1  - Salts as highly diverse porogens : functional ionic liquid-derived carbons and carbon-based composites for energy-related applications
T1  - Salze als vielfältige Porogene : funktionelle, ionische Flüssigkeiten basierte Kohlenstoffe und Kohlenstoff basierte Komposite für Energieanwendungen
N2  - The present thesis is to be brought into line with the current need for alternative and sustainable approaches toward energy management and materials design. In this context, carbon in particular has become the material of choice in many fields such as energy conversion and storage. Herein, three main topics are covered: 1)An alternative synthesis strategy toward highly porous functional carbons with tunable porosity using ordinary salts as porogen (denoted as “salt templating”) 2)The one-pot synthesis of porous metal nitride containing functional carbon composites 3)The combination of both approaches, enabling the generation of highly porous composites with finely tunable properties All approaches have in common that they are based on the utilization of ionic liquids, salts which are liquid below 100 °C, as precursors. Just recently, ionic liquids were shown to be versatile precursors for the generation of heteroatom-doped carbons since the liquid state and a negligible vapor pressure are highly advantageous properties. However, in most cases the products do not possess any porosity which is essential for many applications. In the first part, “salt templating”, the utilization of salts as diverse and sustainable porogens, is introduced. Exemplarily shown for ionic liquid derived nitrogen- and nitrogen-boron-co-doped carbons, the control of the porosity and morphology on the nanometer scale by salt templating is presented. The studies within this thesis were conducted with the ionic liquids 1-Butyl-3-methyl-pyridinium dicyanamide (Bmp-dca), 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium dicyanamide (Emim-dca) and 1 Ethyl 3-methyl-imidazolium tetracyanoborate (Emim-tcb). The materials are generated through thermal treatment of precursor mixtures containing one of the ionic liquids and a porogen salt. By simple removal of the non-carbonizable template salt with water, functional graphitic carbons with pore sizes ranging from micro- to mesoporous and surface areas up to 2000 m2g-1 are obtained. The carbon morphologies, which presumably originate from different onsets of demixing, mainly depend on the nature of the porogen salt whereas the nature of the ionic liquid plays a minor role. Thus, a structural effect of the porogen salt rather than activation can be assumed. This offers an alternative to conventional activation and templating methods, enabling to avoid multiple-step and energy-consuming synthesis pathways as well as employment of hazardous chemicals for the template removal. The composition of the carbons can be altered via the heat-treatment procedure, thus at lower synthesis temperatures rather polymeric carbonaceous materials with a high degree of functional groups and high surface areas are accessible. First results suggest the suitability of the materials for CO2 utilization. In order to further illustrate the potential of ionic liquids as carbon precursors and to expand the class of carbons which can be obtained, the ionic liquid 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium thiocyanate (Emim-scn) is introduced for the generation of nitrogen-sulfur-co-doped carbons in combination with the already studied ionic liquids Bmp-dca and Emim-dca. Here, the salt templating approach should also be applicable eventually further illustrating the potential of salt templating, too. In the second part, a one-pot and template-free synthesis approach toward inherently porous metal nitride nanoparticle containing nitrogen-doped carbon composites is presented. Since ionic liquids also offer outstanding solubility properties, the materials can be generated through the carbonization of homogeneous solutions of an ionic liquid acting as nitrogen as well as carbon source and the respective metal precursor. The metal content and surface area are easily tunable via the initial metal precursor amount. Furthermore, it is also possible to synthesize composites with ternary nitride nanoparticles whose composition is adjustable by the metal ratio in the precursor solution. Finally, both approaches are combined into salt templating of the one-pot composites. This opens the way to the one-step synthesis of composites with tunable composition, particle size as well as precisely controllable porosity and morphology. Thereby, common synthesis strategies where the product composition is often negatively affected by the template removal procedure can be avoided. The composites are further shown to be suitable as electrodes for supercapacitors. Here, different properties such as porosity, metal content and particle size are investigated and discussed with respect to their influence on the energy storage performance. Because a variety of ionic liquids, metal precursors and salts can be combined and a simple closed-loop process including salt recycling is imaginable, the approaches present a promising platform toward sustainable materials design.
N2  - Die vorliegende Arbeit basiert auf der Notwendigkeit für eine alternative und nachhaltige Energiewirtschaft sowie alternativer Herstellungsmethoden der damit verbundenen Materialien. Hierbei kommt besonders Kohlenstoffen und kohlenstoffbasierten Systemen eine hohe Bedeutung zu. Im Rahmen der Dissertation wurden drei Ansätze verfolgt, die zu der Entwicklung alternativer Strategien zur Herstellung poröser Heteroatom-enthaltender Kohlenstoffe und deren Komposite beitragen. Die Materialien wurden des Weiteren für die CO2 Nutzung sowie Energiespeicherung in Form von Superkondensatoren getestet. Allen Materialien ist gemeinsam, dass sie ausgehend von ionischen Flüssigkeiten, Salze mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 100 °C, als Kohlenstoffvorstufe durch Hochtemperaturverfahren hergestellt wurden. Im ersten Teil wird ein alternatives und nachhaltiges Verfahren zur Herstellung hochporöser Stickstoff und Stickstoff-Bor-haltiger Kohlenstoffe vorgestellt. Bei dieser als „Salztemplatierung“ bezeichneten Methode werden herkömmliche Salze als Porogen verwendet. Damit sind sehr hohe Oberflächen erreichbar, die neben der Porengröße und dem Porenvolumen durch die Variation der Salzspezies und Salzmenge einstellbar sind. Dies bietet gegenüber herkömmlichen Templatierungsverfahren den Vorteil, dass das Salz nach erfolgter Karbonisierung der ionischen Flüssigkeit in Anwesenheit der nicht karbonisierbaren Salzspezies einfach mit Wasser auswaschbar ist. Hierbei ist ein Recyclingprozess denkbar. Bei hohen Synthesetemperaturen werden graphitische, bei niedrigen hochfunktionalisierte, polymerartige Produkte erhalten. Letztere erwiesen sich als vielversprechende Materialien für die CO2 Nutzung. Unter Verwendung einer bisher nicht eingesetzten ionische Flüssigkeit konnte weiterhin die Einführung von Schwefel als Heteroatom ermöglicht werden. Im zweiten Teil wird eine Templat-freie Einschrittsynthese von porösen Kompositen aus Metallnitrid Nanopartikeln und Stickstoff-dotiertem Kohlenstoff vorgestellt. Die Materialien werden ausgehend von einer Lösung aus einer ionischen Flüssigkeit und einem Metallvorläufer hergestellt, wobei die ionische Flüssigkeit sowohl als Kohlenstoffvorläufer als auch als Stickstoffquelle für die Metallnitride dient. Der Metallgehalt, das Metallverhältnis in ternären Nitriden und die Oberfläche sind über den Anteil des Metallvorläufers einstellbar. Schließlich werden beide Ansätze zur Salztemplatierung von den Kompositen kombiniert. Dadurch wird die Einschrittsynthese von Kompositen mit einstellbarer Oberfläche, Zusammensetzung, Partikelgröße und Morphologie ermöglicht. Diese Materialien wurden schließlich als Elektroden für Superkondensatoren getestet und der Einfluss verschiedener Parameter auf die Leistungsfähigkeit untersucht. Aufgrund verschiedener Kombinationsmöglichkeiten von ionischen Flüssigkeiten, Metallvorläufern und Salzen, stellen die hier präsentierten Ansätze eine vielversprechende Plattform für die nachhaltige Materialsynthese dar.
KW  - Salze
KW  - Poröse Materialien
KW  - Heteroatom-dotierte Kohlenstoffe
KW  - Metallnitrid-Kohlenstoff Komposite
KW  - Superkondensator
KW  - Salts
KW  - porous materials
KW  - heteroatom-doped carbons
KW  - metal nitride carbon composites
KW  - supercapacitors
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64775
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fellinger, Tim-Patrick
T1  - Hydrothermal and ionothermal carbon structures
T1  - Hydrothermale und ionothermale Kohlenstoffstrukturen
BT  - from carbon negative materials to energy applications
N2  - The needs for sustainable energy generation, but also a sustainable chemistry display the basic motivation of the current thesis. By different single investigated cases, which are all related to the element carbon, the work can be devided into two major topics. At first, the sustainable synthesis of “useful” carbon materials employing the process of hydrothermal carbonisation (HC) is described. In the second part, the synthesis of heteroatom - containing carbon materials for electrochemical and fuel cell applications employing ionic liquid precursors is presented. On base of a thorough review of the literature on hydrothermolysis and hydrothermal carbonisation of sugars in addition to the chemistry of hydroxymethylfurfural, mechanistic considerations of the formation of hydrothermal carbon are proposed. On the base of these reaction schemes, the mineral borax, is introduced as an additive for the hydrothermal carbonisation of glucose. It was found to be a highly active catalyst, resulting in decreased reaction times and increased carbon yields. The chemical impact of borax, in the following is exploited for the modification of the micro- and nanostructure of hydrothermal carbon. From the borax - mediated aggregation of those primary species, widely applicable, low density, pure hydrothermal carbon aerogels with high porosities and specific surface areas are produced. To conclude the first section of the thesis, a short series of experiments is carried out, for the purpose of demonstrating the applicability of the HC model to “real” biowaste i.e. watermelon waste as feedstock for the production of useful materials. In part two cyano - containing ionic liquids are employed as precursors for the synthesis of high - performance, heteroatom - containing carbon materials. By varying the ionic liquid precursor and the carbonisation conditions, it was possible to design highly active non - metal electrocatalyst for the reduction of oxygen. In the direct reduction of oxygen to water (like used in polymer electrolyte fuel cells), compared to commercial platinum catalysts, astonishing activities are observed. In another example the selective and very cost efficient electrochemical synthesis of hydrogen peroxide is presented. In a last example the synthesis of graphitic boron carbon nitrides from the ionic liquid 1 - Ethyl - 3 - methylimidazolium - tetracyanoborate is investigated in detail. Due to the employment of unreactive salts as a new tool to generate high surface area these materials were first time shown to be another class of non - precious metal oxygen reduction electrocatalyst.
N2  - Die Notwendigkeit einer nachhaltigen Energiewirtschaft, sowie der nachhaltigen Chemie stellen die Motivation der vorgelegten Arbeit. Auf Grundlage separater Untersuchungen, die jeweils in engem Bezug zum Element Kohlenstoff stehen, kann die Arbeit in zwei Themenfelder geordnet werden. Der erste Teil behandelt die nachhaltige Herstellung nützlicher Kohlenmaterialien mit Hilfe des Verfahrens der hydrothermalen Carbonisierung. Im zweiten Teil wird die Synthese von Bor und Stickstoff angereicherten Kohlen aus ionischen Flüssigkeiten für elektrochemische Anwendungen abgehandelt. Insbesondere geht es um die Anwendung in Wasserstoff-Brennstoffzellen. Als Ergebnis einer sorgfältigen Literatur¬zusammenfassung der Bereiche Hydrothermolyse, hydrothermale Carbonisierung und Chemie des Hydroxymethylfurfurals wird ein chemisch-mechanistisches Modell zur Entstehung der Hydrothemalkohle vorgestellt. Auf der Basis dieses Modells wird ein neues Additiv zur hydrothermalen Carbonisierung von Zuckern vorgestellt. Die Verwendung des einfachen Additivs, genauer Borax, erlaubt eine wesentlich verkürzte und zu niedrigeren Temperaturen hin verschobene Prozessführung mit höheren Ausbeuten. Anhand des mechanistischen Modells wird ein Einfluss auf die Reaktion von Zuckern mit der reaktiven Kohlenvorstufe (Hydroxymethylfurfural) identifiziert. Die chemische Wirkung des Minerals Borax in der hydrothermalen Carbonisierung wird im Folgenden zur Herstellung vielfältig anwendbarer, hochporöser Kohlen mit einstellbarer Partikelgröße genutzt. Zum Abschluss des ersten Teils ist in einer Serie einfacher Experimente die Anwendbarkeit des mechanischen Modells auf die Verwendung „echter“ Biomasse in Form von Wassermelonenabfall gezeigt. Im zweiten Teil werden verschiedene cyano-haltige ionische Flüssigkeiten zur ionothermalen Synthese von Hochleistungskohlen verwendet. Durch Variation der ionischen Flüssigkeiten und Verwendung unterschiedlicher Synthesebedingungen wird die Herstellung hochaktiver, metallfreier Katalysatoren für die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff erreicht. In der direkten Reduktion von Sauerstoff zu Wasser (wie sie in Brennstoffzellen Anwendung findet) werden, verglichen zu konventionellen Platin-basierten elektrochemischen Katalysatoren, erstaunliche Aktivitäten erreicht. In einem anderen Beispiel wird die selektive Herstellung von Wasserstoffperoxid zu sehr geringen Kosten vorgestellt. Abschließend wird anhand der Verwendung der ionischen Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-tetracyanoborat eine detaillierte Betrachtung zur Herstellung von graphitischem Borcarbonitrid vorgestellt. Unter Verwendung unreaktiver Salze, als einfaches Werkzeug zur Einführung großer inneren Oberflächen wird erstmals die elektrokatalytische Aktivität eines solchen Materials in der elektrochemischen Sauerstoffreduktion gezeigt.
KW  - Hydrothermalkohle
KW  - ionische Flüssigkeiten
KW  - poröse Materialien
KW  - Elektrokatalyse
KW  - hydrothermal carbon
KW  - ionic liquids
KW  - porous materials
KW  - electrocatalysis
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57825
ER  - 
TY  - THES
A1  - Deshpande, Atul Suresh
T1  - Fabrication of porous metal oxides for catalytic application using templating techniques
T1  - Herstellung poröser Metalloxide für katalytische Anwendungen unter Verwendung von Templatierungsverfahren
N2  - Nanostrukturierte Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie aus sehr kleinen Baueinheiten zusammengesetzt sind. Typischerweise liegt die Grössenordnung dieser Bausteine im Bereich von einigen Nanometern. Ein Nanometer entspricht 10-9 Meter. Dadurch bekommen nanostrukturierte Materialien oft verbesserte, vielfach sogar ganz neue Eigenschaften, die für viele heutige wie auch zukünftige Anwendungen von Vorteil sind.  Ein Weg, um solche nanostrukturierte Materialien herzustellen, ist die sogenannte „Templatierungsmethode“. Das Templat besteht aus einem einzelnen Molekül, einer Ansammlung von Molekülen oder aus einem festen Objekt. Beim Aufbau des nanostrukturierten Materials wirkt das Templat als Schablone oder als Gussform und beeinflusst damit die Struktur des Endproduktes. Normalerweise besteht dieser Prozess aus mehreren Schritten. Zuerst wird der Raum um das Templat mit dem Ausgangsstoff umhüllt oder ausgefüllt, dann wird der Ausgangsstoff chemisch in das gewünschte Endprodukt umgewandelt, wobei das Templat die Endform kontrolliert und am Schluss wird das Templat entfernt. Das geschieht meistens durch Erhitzen. Als Ausgangsstoff können dabei einzelne Moleküle verwendet werden, die sich leicht in das Endprodukt umwandeln lassen, oder aber vorgeformte Partikelchen, die nur noch zur entsprechenden Form angeordnet werden müssen.  In dieser Arbeit wurden poröse Metalloxid-Kügelchen hergestellt, die aus einem Gemisch aus Titanoxid und entweder Aluminium-, Gallium- oder Indiumoxid bestehen. Als Template wurden poröse Kunststoffkügelchen eingesetzt, die man sonst für Chromatographiezwecke braucht. Bei der Synthese wurden die Poren der Kunststoffkügelchen mit dem Ausgangsmaterial gefüllt und mit Wasser in ein amorphes Netzwerk umgewandelt. Danach werden die Kügelchen erhitzt, wobei das Kunststofftemplat zersetzt wird. Gleichzeitig wird das amorphe Gerüst in stabile, kristalline Wände umgewandelt, die die Form der Kügelchen auch dann noch behalten, wenn das Templat verschwunden ist. Mit einem ähnlichen Prozess wurden auch Kügelchen aus Cer-Zirkonoxid erhalten. Als Ausgangsstoff wurden dabei aber vorgeformte Cer-Zirkonoxid-Nanopartikel eingesetzt, die in die Poren der Kunststofftemplatkügelchen hinein diffundieren. Diese Cer-Zirkonoxid-Nanopartikel lassen sich auch für die Herstellung von porösen Pulvern verwenden, wobei dann nicht Polymerkügelchen, sondern hochgeordnete Ansammlungen von Block Copolymeren als Template verwendet werden.  Form, Struktur und Eigenschaften all dieser Materialien wurden systematisch unter Anwendung verschiedenster Analysemethoden untersucht. Die auf Titanoxid-basierten Kügelchen wurden auch auf ihre photokatalytische Verwendung zum Abbau von umweltschädlichem 2-Chlorophenol untersucht. Die Cer-Zirkonoxid-Kügelchen wurden für die Herstellung von Wasserstoff aus Methanol getestet. Wasserstoff gilt als hoffungsvoller, sauberer Energieträger der Zukunft und kommt in Brennstoffzellen zum Einsatz.
N2  - Nanostructured materials are the materials having structural features on the scale of nanometers i.e. 10-9 m. the structural features can enhance the natural properties of the materials or induce additional properties, which are useful for day to technology as well as the future technologies  One way to synthesize nanostructured materials is using templating techniques. The templating process involves use of a certain “mould” or “scaffold” to generate the structure. The mould is called as the template, can be a single molecule or assembly of molecule or a larger object, which has its own structure. The product material can be obtained by filling the space around the template with a “precursor”, transformation of precursor into the desired material and then removal of template to get product. The precursor can be any chemical moiety that can be easily transformed in to the desired material. Alternatively the desired material is processed into very tiny bricks or “nano building blocks (NBB)” and the product is obtained by arrangement of the NBB by using a scaffold.   We synthesized porous metal oxide spheres of namely TiO2-M2O3: titanium dioxide- M-oxide (M = aluminum, gallium and indium) TiO2-M2O3 and cerium oxide-zirconium oxide solid solution. We used porous polymeric beads as templates. These beads used for chromatographic purposes. For the synthesis of TiO2-M2O3 we used metal- alkoxides as precursor. The pore of beads were filled with precursor and then reacted with water to give transformation of the precursor to amorphous oxide network. The network is crystallized and template is removed by heat treatment at high temperatures. In a similar way we obtained porous spheres of CexZr1-xO2. For this we synthesized nanoparticle of CexZr1-xO2 and used then for the templating process to obtain porous CexZr1-xO2 spheres.   Additionally, using the same nanoparticles we synthesized nano-porous powder using self-assembly process between a block-copolymers scaffold and nanoparticles.   Morphological and physico-chemical properties of these materials were studies systematically by using various analytical techniques   TiO2-M2O3 material were tested for photocatalytic degradation of 2-Chlorophenol a poisonous pollutant. While CexZr1-xO2 spheres were tested for methanol steam reforming reaction to generate hydrogen, which is a fuel for future generation power sources like fuel cells. All the materials showed good catalytic performance.
KW  - porous materials
KW  - metal oxides
KW  - catalytic application
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001324
ER  -