TY - THES A1 - Perovic, Milena T1 - Functionalization of nanoporous carbon materials for chiral separation and heterogeneous oxidation catalysis N2 - The impact that catalysis has on global economy and environment is substantial, since 85% of all chemical industrial processes are catalytic. Among those, 80% of the processes are heterogeneously catalyzed, 17% make use of homogeneous catalysts, and 3% are biocatalytic processes. Especially in the pharmaceutical and agrochemical industry, a significant part of these processes involves chiral compounds. Obtaining enantiomerically pure compounds is necessary and it is usually accomplished by asymmetric synthesis and catalysis, as well as chiral separation. The efficiency of these processes may be vastly improved if the chiral selectors are positioned on a porous solid support, thereby increasing the available surface area for chiral recognition. Similarly, the majority of commercial catalysts are also supported, usually comprising of metal nanoparticles (NPs) dispersed on highly porous oxide or nanoporous carbon material. Materials that have exceptional thermal and chemical stability, and are electrically conductive are porous carbons. Their stability in extreme pH regions and temperatures, the possibility to tailor their pore architecture and chemical functionalization, and their electric conductivity have already established these materials in the fields of separation and catalysis. However, their heterogeneous chemical structure with abundant defects make it challenging to develop reliable models for the investigation of structure-performance relationships. Therefore, there is a necessity for expanding the fundamental understanding of these robust materials under experimental conditions to allow for their further optimization for particular applications. This thesis gives a contribution to our knowledge about carbons, through different aspects, and in different applications. On the one hand, a rather exotic novel application was investigated by attempts in synthesizing porous carbon materials with an enantioselective surface. Chapter 4.1 described an approach for obtaining mesoporous carbons with an enantioselective surface by direct carbonization of a chiral precursor. Two enantiomers of chiral ionic liquids (CIL) based on amino acid tyrosine were used as carbon precursors and ordered mesoporous silica SBA-15 served as a hard template for obtaining porosity. The chiral recognition of the prepared carbons has been tested in the solution by isothermal titration calorimetry with enantiomers of Phenylalanine as probes, as well as chiral vapor adsorption with 2-butanol enantiomers. Measurements in both solution and the gas phase revealed the differences in the affinity of carbons towards two enantiomers. The atomic efficiency of the CIL precursors was increased in Chapter 4.2, and the porosity was developed independently from the development of chiral carbons, through the formation of stable composites of pristine carbon and CIL-derived coating. After the same set of experiments for the investigation of chirality, the enantiomeric ratios of the composites reported herein were even higher than in the previous chapter. On the other hand, the structure‒activity relationship of carbons as supports for gold nanoparticles in a rather traditional catalytic model reaction, on the interface between gas, liquid, and solid, was studied. In Chapter 5.1 it was shown on the series of catalysts with different porosities that the kinetics of ᴅ-glucose oxidation reaction can be enhanced by increasing the local concentration of the reactants around the active phase of the catalyst. A large amount of uniform narrow mesopores connected to the surface of the Au catalyst supported on ordered mesoporous carbon led to the water confinement, which increased the solubility of the oxygen in the proximity of the catalyst and thereby increased the apparent catalytic activity of this catalyst. After increasing the oxygen concentration in the internal area of the catalyst, in Chapter 5.2 the concentration of oxygen was increased in the external environment of the catalyst, by the introduction of less cohesive liquids that serve as efficient solvent for oxygen, perfluorinated compounds, near the active phase of the catalyst. This was achieved by a formation of catalyst particle-stabilized emulsions of perfluorocarbon in aqueous ᴅ-glucose solution, that further promoted the catalytic activity of gold-on-carbon catalyst. The findings reported within this thesis are an important step in the understanding of the structure-related properties of carbon materials. N2 - Die Auswirkungen, die die Katalyse auf die globale Wirtschaft und Umwelt hat, sind beträchtlich, da 85% aller chemischen Industrieprozesse katalytisch sind. Vor allem in der pharmazeutischen und agrochemischen Industrie ist ein bedeutender Teil dieser Prozesse mit chiralen Verbindungen verbunden, Moleküle, die als Bild und Spiegelbild dargestellt werden können. Es ist notwendig, chiral reine Verbindungen zu erhalten, und die Prozesse, um dies zu erreichen, sind effizienter, wenn poröse chirale Materialien aufgrund ihrer größeren Oberfläche verwendet werden. In ähnlicher Weise besteht die Mehrzahl der kommerziellen Katalysatoren in der Regel aus Metallnanopartikeln, die auf hochporösem Oxid- oder nanoporösem Kohlenstoffmaterial dispergiert sind. Materialien, die eine außergewöhnliche thermische und chemische Stabilität aufweisen und elektrisch leitfähig sind, sind poröse Kohlenstoffe. Ihre Anwendung ist jedoch aufgrund ihrer heterogenen, defektreichen Struktur sehr anspruchsvoll. Daher besteht die Notwendigkeit, das grundlegende Verständnis dieser Materialien unter experimentellen Bedingungen zu erweitern, um ihre weitere Optimierung für bestimmte Anwendungen zu ermöglichen. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zu unserem Wissen über Kohlenstoffe durch eine eher exotische neue Anwendung der chiralen Trennung und eine eher traditionelle katalytische Anwendung. In Kapitel 4 wurden zwei Ansätze zur Gewinnung nanoporöser Kohlenstoffe mit chiraler Oberfläche unter Verwendung chiraler ionischer Flüssigkeitsvorläufer beschrieben. Ihre chirale Erkennung wurde in der Lösung und in der Gasphase untersucht. Kapitel 5 konzentrierte sich auf die Struktur-Aktivitäts-Beziehung von Kohlenstoffmaterialien als Träger von Goldnanopartikeln in einer katalytischen Modellreaktion der Glukoseoxidation mit molekularem Sauerstoff. Die in dieser Arbeit berichteten Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt zum Verständnis der strukturbezogenen Eigenschaften von Kohlenstoffmaterialien. T2 - Funktionalisierung von nanoporösen Kohlenstoffmaterialien für die chirale Trennung und heterogene Oxidationskatalyse KW - Porous carbon KW - heterogeneous catalysis KW - chiral separation KW - functionalization KW - glucose oxidation KW - poröse Kohlenstoffmaterialien KW - chirale Trennung KW - Funktionalisierung KW - Glukose Oxidation KW - heterogene Katalyse Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-486594 ER - TY - THES A1 - Harmanli, İpek T1 - Towards catalytic activation of nitrogen in ionic liquid/nanoporous carbon interfaces for electrochemical ammonia synthesis N2 - Ammonia is a chemical of fundamental importance for nature`s vital nitrogen cycle. It is crucial for the growth of living organisms as well as food and energy source. Traditionally, industrial ammonia production is predominated by Haber- Bosch process (HBP) which is based on direct conversion of N2 and H2 gas under high temperature and high pressure (~500oC, 150-300 bar). However, it is not the favorite route because of its thermodynamic and kinetic limitations, and the need for the energy intense production of hydrogen gas by reforming processes. All these disfavors of HBP open a target to search for an alternative technique to perform efficient ammonia synthesis via electrochemical catalytic processes, in particular via water electrolysis, using water as the hydrogen source to save the process from gas reforming. In this study, the investigation of the interface effects between imidazolium-based ionic liquids and the surface of porous carbon materials with a special interest in the nitrogen absorption capability. As the further step, the possibility to establish this interface as the catalytically active area for the electrochemical N2 reduction to NH3 has been evaluated. This particular combination has been chosen because the porous carbon materials and ionic liquids (IL) have a significant importance in many scientific fields including catalysis and electrocatalysis due to their special structural and physicochemical properties. Primarily, the effects of the confinement of ionic liquid (EmimOAc, 1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate) into carbon pores have been investigated. The salt-templated porous carbons, which have different porosity (microporous and mesoporous) and nitrogen species, were used as model structures for the comparison of the IL confinement at different loadings. The nitrogen uptake of EmimOAc can be increased by about 10 times by the confinement in the pores of carbon materials compared to the bulk form. In addition, the most improved nitrogen absorption was observed by IL confinement in micropores and in nitrogen-doped carbon materials as a consequence of the maximized structural changes of IL. Furthermore, the possible use of such interfaces between EmimOAc and porous carbon for the catalytic activation of dinitrogen during the kinetically challenging NRR due to the limited gas absorption in the electrolyte, was examined. An electrocatalytic NRR system based on the conversion of water and nitrogen gas to ammonia at ambient operation conditions (1 bar, 25 °C) was performed in a setup under an applied electric potential with a single chamber electrochemical cell, which consists of the combination of EmimOAc electrolyte with the porous carbon-working electrode and without a traditional electrocatalyst. Under a potential of -3 V vs. SCE for 45 minutes, a NH3 production rate of 498.37 μg h-1 cm-2 and FE of 12.14% were achieved. The experimental observations show that an electric double-layer, which serves the catalytically active area, occurs between a microporous carbon material and ions of the EmimOAc electrolyte in the presence of sufficiently high provided electric potential. Comparing with the typical NRR systems which have been reported in the literature, the presented electrochemical ammonia synthesis approach provides a significantly higher ammonia production rate with a chance to avoid the possible kinetic limitations of NRR. In terms of operating conditions, ammonia production rate and the faradic efficiency without the need for any synthetic electrocatalyst can be resulted of electrocatalytic activation of nitrogen in the double-layer formed between carbon and IL ions. N2 - Ammoniak ist eine Chemikalie von grundlegender Bedeutung für den lebenswichtigen Stickstoffkreislauf der Natur. Es ist entscheidend für das Wachstum lebender Organismen sowie von Nahrungsmitteln und Energiequellen. Traditionell wird die industrielle Ammoniakproduktion nach dem Haber-Bosch-Verfahren (HBP) dominiert, das auf der direkten Umwandlung von N2- und H2-Gas unter hoher Temperatur und hohem Druck (~ 500 ° C, 150-300 bar) basiert. Aufgrund seiner thermodynamischen und kinetischen Einschränkungen und der Notwendigkeit einer energieintensiven Erzeugung von Wasserstoffgas durch Reformierungsprozesse ist dies jedoch nicht der bevorzugte Weg. All diese Nachteile von HBP eröffnen ein Ziel für die Suche nach einer alternativen Technik zur Durchführung einer effizienten Ammoniaksynthese über elektrochemische katalytische Prozesse, insbesondere durch Wasserelektrolyse, wobei Wasser als Wasserstoffquelle verwendet wird, um den Prozess vor einer Gasreformierung zu bewahren. In dieser Studie wurde die Untersuchung der Grenzflächeneffekte zwischen ionischen Flüssigkeiten auf Imidazoliumbasis und der Oberfläche poröser Kohlenstoffmaterialien mit besonderem Interesse an der Stickstoffabsorptionsfähigkeit untersucht. Als weiterer Schritt wurde die Möglichkeit geprüft, diese Grenzfläche als katalytisch aktiven Bereich für die elektrochemische N2-Reduktion zu NH3 zu etablieren. Diese besondere Kombination wurde gewählt, weil die porösen Kohlenstoffmaterialien und ionischen Flüssigkeiten (IL) aufgrund ihrer besonderen strukturellen und physikochemischen Eigenschaften in vielen wissenschaftlichen Bereichen, einschließlich Katalyse und Elektrokatalyse, eine bedeutende Bedeutung haben. In erster Linie wurden die Auswirkungen des Einschlusses von ionischer Flüssigkeit (EmimOAc, 1-Ethyl-3-methylimidazoliumacetat) in Kohlenstoffporen untersucht. Die porösen Kohlenstoffe mit Salzschablonen, die unterschiedliche Porosität (mikroporös und mesoporös) und Stickstoffspezies aufweisen, wurden als Modellstrukturen für den Vergleich des IL-Einschlusses bei unterschiedlichen Beladungen verwendet. Die Stickstoffaufnahme von EmimOAc kann durch den Einschluss in den Poren von Kohlenstoffmaterialien im Vergleich zur Massenform um das Zehnfache erhöht werden. Zusätzlich wurde die am besten verbesserte Stickstoffabsorption durch IL-Einschluss in Mikroporen und in stickstoffdotierten Kohlenstoffmaterialien als Folge der maximierten strukturellen Änderungen von IL beobachtet. Darüber hinaus wurde die mögliche Verwendung solcher Grenzflächen zwischen EmimOAc und porösem Kohlenstoff für die katalytische Aktivierung von Distickstoff während des kinetisch herausfordernden NRR aufgrund der begrenzten Gasabsorption im Elektrolyten untersucht. Ein elektrokatalytisches NRR-System, das auf der Umwandlung von Wasser und Stickstoffgas in Ammoniak bei Umgebungsbetriebsbedingungen (1 bar, 25 ° C) basiert, wurde in einem Aufbau unter einem angelegten elektrischen Potential mit einer elektrochemischen Einkammerzelle durchgeführt, die aus der Kombination von besteht EmimOAc-Elektrolyt mit poröser Kohlenstoff-Arbeitselektrode und ohne herkömmlichen Elektrokatalysator. Bei einem Potential von -3 V gegen SCE für 45 Minuten wurde eine NH3-Produktionsrate von 498,37 ug h & supmin; ¹ cm & supmin; ² und eine FE von 12,14% erreicht. Die experimentellen Beobachtungen zeigen, dass eine elektrische Doppelschicht, die dem katalytisch aktiven Bereich dient, zwischen einem mikroporösen Kohlenstoffmaterial und Ionen des EmimOAc-Elektrolyten in Gegenwart eines ausreichend hohen bereitgestellten elektrischen Potentials auftritt. Im Vergleich zu den typischen NRR-Systemen, über die in der Literatur berichtet wurde, bietet der vorgestellte Ansatz der elektrochemischen Ammoniaksynthese eine signifikant höhere Ammoniakproduktionsrate mit der Möglichkeit, die möglichen kinetischen Einschränkungen der NRR zu vermeiden. In Bezug auf die Betriebsbedingungen können die Ammoniakproduktionsrate und die Faradic-Effizienz ohne die Notwendigkeit eines synthetischen Elektrokatalysators aus der elektrokatalytischen Aktivierung von Stickstoff in der zwischen Kohlenstoff- und IL-Ionen gebildeten Doppelschicht resultieren. KW - Electrocatalysis KW - Ammonia KW - Ionic liquids KW - Nitrogen Physisorption KW - Porous carbon KW - Ammoniak KW - Elektrokatalyse KW - Ionische Flüssigkeiten KW - Stickstoff Physisorption KW - Poröser Kohlenstoff Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483591 ER -