TY  - THES
A1  - Winkler, Henning
T1  - Synthese von thermoplastisch verarbeitbaren Fettsäure-Acylderivaten der Stärke und Proteine
T1  - Synthesis of thermoplastic processable fatty acid acyl derivatives of starch and proteins
N2  - In den vergangenen Jahren wurden stetig wachsende Produktionskapazitäten von Biokunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffe nverzeichnet. Trotz großer Produktionskapazitäten und einem geeigneten Eigenschaftsprofil findet Stärke nur als hydrophile, mit Weichmachern verarbeitete thermoplastische Stärke (TPS) in Form von Blends mit z. B. Polyestern Anwendung. Gleiches gilt für Kunststoffe auf Proteinbasis. Die vorliegende Arbeit hat die Entwicklung von Biokunststoffen auf Stärkebasis zum Ziel, welche ohne externe Weichmacher thermoplastisch verarbeitbar und hydrophob sind sowie ein mechanisches Eigenschaftsprofil aufweisen, welches ein Potenzial zur Herstellung von Materialien für eine Anwendung als Verpackungsmittel bietet. Um die Rohstoffbasis für Biokunststoffe zu erweitern, soll das erarbeitete Konzept auf zwei industriell verfügbare Proteintypen, Zein und Molkenproteinisolat (WPI), übertragen werden. Als geeignete Materialklasse wurden Fettsäureester der Stärke herausgearbeitet. Zunächst fand ein Vergleich der Säurechlorid-Veresterung und der Umesterung von Fettsäurevinylestern statt, woraus letztere als geeignetere Methode hervorging. Durch Variation der Reaktionsparameter konnte diese optimiert und auf eine Serie der Fettsäurevinylester von Butanoat bis Stearat für DS-Werte bis zu 2,2-2,6 angewandt werden. Möglich war somit eine systematische Studie unter Variation der veresterten Fettsäure sowie des Substitutionsgrades (DS). Sämtliche Produkte mit einem DS ab 1,5 wiesen eine ausgprägte Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln auf wodurch sowohl die Aufnahme von NMR-Spektren als auch Molmassenbestimmung mittels Größenausschlusschromatographie mit gekoppelter Mehrwinkel-Laserlichtstreuung (GPC-MALLS) möglich waren. Durch dynamische Lichtstreuung (DLS) wurde das Löslichkeitsverhalten veranschaulicht. Sämtliche Produkte konnten zu Filmen verarbeitet werden, wobei Materialien mit DS 1,5-1,7 hohe Zugfestigkeiten (bis zu 42 MPa) und Elastizitätsmodule (bis 1390 MPa) aufwiesen. Insbesondere Stärkehexanoat mit DS <2 sowie Stärkebutanoat mit DS >2 hatten ein mechanisches Eigenschaftsprofil, welches insbesondere in Bezug auf die Festigkeit/Steifigkeit vergleichbar mit Verpackungsmaterialien wie Polyethylen war (Zugfestigkeit: 15-32 MPa, E-Modul: 300-1300 MPa). Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul nahmen mit steigender Kettenlänge der veresterten Fettsäure ab. Ester längerkettiger Fettsäuren (C16-C18) waren spröde. Über Weitwinkel-Röntgenstreuung (WAXS) und Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR) konnte der Verlauf der Festigkeiten mit einer zunehmenden Distanz der Stärke im Material begründet werden. Es konnten von DS und Kettenlänge abhängige Glasübergänge detektiert werden, die kristallinen Strukturen der langkettigen Fettsäuren zeigten einen Schmelzpeak. Die Hydrophobie der Filme wurde anhand von Kontaktwinkeln >95° gegen Wasser dargestellt. Blends mit biobasierten Polyterpenen sowie den in der Arbeit hergestellten Zein-Acylderivaten ermöglichten eine weitere Verbesserung der Zugfestigkeit bzw. des Elastizitätsmoduls hochsubstituierter Produkte. Eine thermoplastische Verarbeitung mittels Spritzgießen war sowohl für Produkte mit hohem als auch mittlerem DS-Wert ohne jeglichen Zusatz von Weichmachern möglich. Es entstanden homogene, transparente Prüfstäbe. Untersuchungen der Härte ergaben auch hier für Stärkehexanoat und –butanoat mit Polyethylen vergleichbare Werte. Ausgewählte Produkte wurden zu Fasern nach dem Schmelzspinnverfahren verarbeitet. Hierbei wurden insbesondere für hochsubstituierte Derivate homogenen Fasern erstellt, welche im Vergleich zur Gießfolie signifikant höhere Zugfestigkeiten aufwiesen. Stärkeester mit mittlerem DS ließen sich ebenfalls verarbeiten. Zunächst wurden für eine Übertragung des Konzeptes auf die Proteine Zein und WPI verschiedene Synthesemethoden verglichen. Die Veresterung mit Säurechloriden ergab hierbei die höchsten Werte. Im Hinblick auf eine gute Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln wurde für WPI die Veresterung mit carbonyldiimidazol (CDI)-aktivierten Fettsäuren in DMSO und für Zein die Veresterung mit Säu-rechloriden in Pyridin bevorzugt. Es stellte sich heraus, dass acyliertes WPI zwar hydrophob, jedoch ohne Weichmacher nicht thermoplastisch verarbeitet werden konnte. Die Erstellung von Gießfolien führte zu Sprödbruchverhalten. Unter Zugabe der biobasierten Ölsäure wurde die Anwendung von acyliertem WPI als thermoplastischer Filler z. B. in Blends mit Stärkeestern dargestellt. Im Gegensatz hierzu zeigte acyliertes Zein Glasübergänge <100 °C bei ausreichender Stabilität (150-200 °C). Zeinoleat konnte ohne Weichmacher zu einer transparenten Gießfolie verarbeitet werden. Sämtliche Derivate erwiesen sich als ausgeprägt hydrophob. Zeinoleat konnte über das Schmelzspinnverfahren zu thermoplastischen Fasern verarbeitet werden.
N2  - In recent years, a steadily growing production capacity of bioplastic based on renewable resources was noticed. Despite its huge production capacities and an appropriate property profile (ubiquitous occurrence, easy extraction), starch is only applied in addition of plasticizers in a hydrophilic, thermoplastic form in blends with e. g. polyesters. The same applies to bioplastics based on proteins. The actual study has the aim to develop starch-based bioplastics, which are hydrophobic, thermoplastic without the addition of any plasticizer and have mechanical properties to be a suitable alternative material in the area of food packaging. To obtain a variation of the raw materials for bioplastics, the concept shall be applied to two types of industrial available proteins, whey protein isolate (WPI) and Zein. Fatty acid esters of starch came out to be a suitable class of materials. Initially, the methods of esterifying acid chlorides and the transesterification of fatty acid vinyl esters were compared with the latter being more appropriate. Reaction parameters of this method were optimized and it was applied to a complete series of vinyl ester reagents (butanoate to stearate), leading to degree of substitution (DS)-values up to 2.2-2.6. With that, a systematic study of the variation of the fatty acid ester chain as well as the DS became possible. It came out that all products with a DS >1.5 showed a well-marked solubility in organic solvents, whereby solution NMR-studies as well as measurements of the molecular weight distributions by using size exclusion chroma-tography with multi-angle laser light scattering (SEC-MALLS) were possible. The different solution behavior was studied by dynamic light scattering (DLS). All soluble products could be formed into films via casting, where materials with a DS of 1.5-1.7 showed the highest values concerning tensile strength (up to 42 MPa) and Youngs modulus (up to 1390 MPa). Especially starch hexanoate with DS <2 and starch butanoate with a DS >2 revealed mechanical properties which are comparable to usually applied polymers for food packaging, e. g. polyethylene (tensile strength: 15-20 MPa, E-Mod: 300-1300 MPa). Tensile strength and Youngs modulus were reduced with increasing length of the esterified fatty acid. Wide-angle X-Ray scattering (WAXS) and infrared spectroscopy (ATR-FTIR) explained this tendency by an increasing intermolecular distance of the starch in the material. Glassy transitions of the materials were detected and showed a dependency on the type of esterified fatty acid and the DS. The crystalline structures of the esterified long-chain fatty acids revealed a melting peak. All films came out to be hydrophobic with contact angles against water >95°. The tensile strength and the Youngs modulus of the highly substituted products could be further improved by blending them with biobased polyterpenes as well as the acylated Zein. A thermoplastic processing without the use of any plasticizer additives was possible for products with a medium and high DS. Homogeneous, transparent testing specimens were obtained. The specific mechanical values were comparable with the casted films, although the highest values for the tensile strength and the elongation were lower. Investigations of the hardness showed comparable values to polyethylene. Selected samples were further processed to fibers by melt spinning. Especially starch esters with high DS revealed homogeneous fibers with a significant increase in the tensile strength compared to the film or testing specimen. Even fatty acid starch esters with a medium DS were processed by the melt-spinning, but their higher glassy transition lead to a reduced softening behavior. To transfer this concept to the class of proteins, different methods of synthesis were studied in the first step, which differed in their amount of acylation. The acylation using fatty acid chlorides lead to highest values. With regard to a well-marked organic solvent solubility, in the case of WPI the acylation with carbonyldiimidazol (CDI)-activated fatty acid was established. For Zein, the acid chloride acylation in pyridine gave the desired results. It came out the fatty acid acylated soluble WPI could not be thermoplastic processed without additional plasticizers. By using biobased oleic acid as additive, the potential of acylated WPI as a thermoplastic filler in blends with e. g. fatty acid esters of starch was shown. In contrast, fatty acid acyl derivatives of Zein revealed well marked glassy transitions <100 °C with an adequate thermal stability. While Zeinoleate could be formed into transparent films via solvent casting without any plasticizer additives, low amounts of tall oil enabled film-forming in the case of acyl derivatives with shorter fatty acids as well. All derivatives revealed a well-marked hydrophobicity. Finally, Zeinoleate was thermoplastically processed into fibers by melt-spinning without any further additives.
KW  - Stärke
KW  - Proteine
KW  - thermoplastisch
KW  - Gießfolien
KW  - Fasern
KW  - starch
KW  - proteins
KW  - thermoplastic
KW  - films
KW  - casted-films
KW  - fibres
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71089
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kröner, Dominik
T1  - Analysis and control of light-induced processes in molecules: Electron and nuclear quantum dynamics for aspects of stereoisomerism and spectroscopy
T1  - Analyse und Kontrolle lichtinduzierter Prozesse in Molekülen: Elektronen- und Kernquantendynamik für Aspekte der Stereoisomerie und Spektroskopie
N2  - The habilitation thesis covers theoretical investigations on light-induced processes in molecules. The study is focussed on changes of the molecular electronic structure and geometry, caused either by photoexcitation in the event of a spectroscopic analysis, or by a selective control with shaped laser pulses. The applied and developed methods are predominantly based on quantum chemistry as well as on electron and nuclear quantum dynamics, and in parts on molecular dynamics. The studied scientific problems deal with stereoisomerism and the question of how to either switch or distinguish chiral molecules using laser pulses, and with the essentials for the simulation of the spectroscopic response of biochromophores, in order to unravel their photophysics. The accomplished findings not only explain experimental results and extend existing approaches, but also contribute significantly to the basic understanding of the investigated light-driven molecular processes. The main achievements can be divided in three parts: First, a quantum theory for an enantio- and diastereoselective or, in general, stereoselective laser pulse control was developed and successfully applied to influence the chirality of molecular switches. The proposed axially chiral molecules possess different numbers of "switchable" stable chiral conformations, with one particular switch featuring even a true achiral "off"-state which allows to enantioselectively "turn on" its chirality. Furthermore, surface mounted chiral molecular switches with several well-defined orientations were treated, where a newly devised highly flexible stochastic pulse optimization technique provides high stereoselectivity and efficiency at the same time, even for coupled chirality-changing degrees of freedom. Despite the model character of these studies, the proposed types of chiral molecular switches and, all the more, the developed basic concepts are generally applicable to design laser pulse controlled catalysts for asymmetric synthesis, or to achieve selective changes in the chirality of liquid crystals or in chiroptical nanodevices, implementable in information processing or as data storage. Second, laser-driven electron wavepacket dynamics based on ab initio calculations, namely time-dependent configuration interaction, was extended by the explicit inclusion of magnetic field-magnetic dipole interactions for the simulation of the qualitative and quantitative distinction of enantiomers in mass spectrometry by means of circularly polarized ultrashort laser pulses. The developed approach not only allows to explain the origin of the experimentally observed influence of the pulse duration on the detected circular dichroism in the ion yield, but also to predict laser pulse parameters for an optimal distinction of enantiomers by ultrashort shaped laser pulses. Moreover, these investigations in combination with the previous ones provide a fundamental understanding of the relevance of electric and magnetic interactions between linearly or non-linearly polarized laser pulses and (pro-)chiral molecules for either control by enantioselective excitation or distinction by enantiospecific excitation. Third, for selected light-sensitive biological systems of central importance, like e.g. antenna complexes of photosynthesis, simulations of processes which take place during and after photoexcitation of their chromophores were performed, in order to explain experimental (spectroscopic) findings as well as to understand the underlying photophysical and photochemical principles. In particular, aspects of normal mode mixing due to geometrical changes upon photoexcitation and their impact on (time-dependent) vibronic and resonance Raman spectra, as well as on intramolecular energy redistribution were addressed. In order to explain unresolved experimental findings, a simulation program for the calculation of vibronic and resonance Raman spectra, accounting for changes in both vibrational frequencies and normal modes, was created based on a time-dependent formalism. In addition, the influence of the biochemical environment on the electronic structure of the chromophores was studied by electrostatic interactions and mechanical embedding using hybrid quantum-classical methods. Environmental effects were found to be of importance, in particular, for the excitonic coupling of chromophores in light-harvesting complex II. Although the simulations for such highly complex systems are still restricted by various approximations, the improved approaches and obtained results have proven to be important contributions for a better understanding of light-induced processes in biosystems which also adds to efforts of their artificial reproduction.
N2  - Die Habilitationsschrift behandelt theoretische Untersuchungen von durch Licht ausgelösten Prozessen in Molekülen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Veränderungen in der Elektronenstruktur und der Geometrie der Moleküle, die durch Bestrahlung mit Licht entweder bei einer spektroskopischen Untersuchung oder bei gezielter Kontrolle durch geformte Laserpulse herbeigeführt werden. Um die dabei auftretende Elektronen- und Kerndynamik zu simulieren, wurden vornehmlich quantentheoretische Methoden eingesetzt und weiterentwickelt. Die wissenschaftlichen Fragestellungen beschäftigen sich mit dem gezielten Verändern und dem Erkennen der räumlichen Struktur von Molekülen ohne Drehspiegelachse, der sog. molekularen Chiralität, sowie mit durch Licht eingeleiteten Prozessen in biologisch relevanten Pigmenten auf sehr kurzen Zeitskalen. Die entwickelten Ansätze und gewonnenen Erkenntnisse lassen sich drei Haupterfolge unterteilen: Erstens gelang die Entwicklung einer generellen Kontrolltheorie für das Ein- und Umschalten von molekularer Chiralität mit geformten Laserpulsen. Dabei wird die räumliche Struktur der vorgeschlagenen molekularen Schalter zwischen ihren stabilen sog. stereoisomeren Formen selektiv geändert, was sich auf ihre optischen und chemischen Eigenschaften auswirkt. Für komplexere Bedingungen, wie z.B. auf einer Oberfläche verankerten molekularen Schaltern verschiedener Orientierung, wurde eine neue Pulsoptimierungsmethode basierend auf Wahrscheinlichkeiten und Statistik entwickelt. Solche laserpulskontrollierten chiralen molekularen Schalter hofft man u.a. in der Nanotechnologie zum Einsatz zu bringen, wo sie z.B. als Informationsspeicher dienen könnten. Zweitens konnte geklärt werden, welche die wesentlichen Einflüsse sind, die das Erkennen von sog. Enantiomeren, das sind spiegelbildliche Moleküle von entgegengesetzter Chiralität, nach Ionisierung durch ultrakurze zirkular polarisierte Laserpulse ermöglichen. Diese Form des sog. Zirkulardichroismus in der Ionenausbeute erlaubt die quantitative und qualitative Unterscheidung von Enantiomeren in der Massenspektrometrie. Durch Simulation der Elektronendynamik während der Laseranregung konnte u.a. erstmals gezeigt werden, dass neben der Zirkularpolarisation der Laserpulse vor allem die schwachen magnetischen Wechselwirkungen für die Unterscheidung entscheidend sind. Drittens wurden die Spektren von in der Natur vorkommenden Pigmenten simuliert, welche u.a. an wichtigen biologischen Funktionen, wie dem Sammeln von Sonnenenergie für die Photosynthese, beteiligt sind. Die Lichtanregung führt dabei zu einer Veränderung der Elektronenstruktur und Geometrie der Pigmente, wobei letzteres wichtige Konsequenzen für die Verteilung der Energie auf die spektroskopisch beobachteten Molekülschwingungen mit sich bringen. Auch der wichtige Einfluss der biochemischen Umgebung auf die Elektronenstruktur der Pigmente bzw. den Energietransfer zwischen solchen wurde untersucht. Neben der Klärung experimenteller Ergebnisse ermöglichen die Untersuchungen neue Einblicke in die fundamentalen Prozesse kurz nach der Lichtanregung -- Erkenntnisse, die auch für die technische Nachahmung der biologischen Funktionen von Bedeutung sein können.
KW  - Elektronendynamik
KW  - chirale Schalter
KW  - chirale Erkennung
KW  - Biochromophore
KW  - Laserpulskontrolle
KW  - electron dynamics
KW  - chiral switches
KW  - chiral recognition
KW  - biochromophores
KW  - laser pulse control
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70477
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sütterlin, Martin
T1  - New inverse hydogel opals as protein responsive sensors
T1  - Neue inverse Hydrogelopale als proteinresponsive Sensoren
N2  - In this work, the development of temperature- and protein-responsive sensor materials based on biocompatible, inverse hydrogel opals (IHOs) is presented. With these materials, large biomolecules can be specifically recognised and the binding event visualised. The preparation of the IHOs was performed with a template process, for which monodisperse silica particles were vertically deposited onto glass slides as the first step. The obtained colloidal crystals with a thickness of 5 μm displayed opalescent reflections because of the uniform alignment of the colloids. As a second step, the template was embedded in a matrix consisting of biocompatible, thermoresponsive hydrogels. The comonomers were selected from the family of oligo(ethylene glycol)methacrylates. The monomer solution was injected into a polymerisation mould, which contained the colloidal crystals as a template. The space in-between the template particles was filled with the monomer solution and the hydrogel was cured via UV-polymerisation. The particles were chemically etched, which resulted in a porous inner structure. The uniform alignment of the pores and therefore the opalescent reflection were maintained, so these system were denoted as inverse hydrogel opals. A pore diameter of several hundred nanometres as well as interconnections between the pores should facilitate a diffusion of bigger (bio)molecules, which was always a challenge in the presented systems until now. The copolymer composition was chosen to result in a hydrogel collapse over 35 °C. All hydrogels showed pronounced swelling in water below the critical temperature. The incorporation of a reactive monomer with hydroxyl groups ensured a potential coupling group for the introduction of recognition units for analytes, e.g. proteins. As a test system, biotin as a recognition unit for avidin was coupled to the IHO via polymer-analogous Steglich esterification. The amount of accessible biotin was quantified with a colorimetric binding assay. When avidin was added to the biotinylated IHO, the wavelength of the opalescent reflection was significantly shifted and therefore the binding event was visualised. This effect is based on the change in swelling behaviour of the hydrogel after binding of the hydrophilic avidin, which is amplified by the thermoresponsive nature of the hydrogel. A swelling or shrinking of the pores induces a change in distance of the crystal planes, which are responsible for the colour of the reflection. With these findings, the possibility of creating sensor materials or additional biomolecules in the size range of avidin is given.
N2  - In dieser Arbeit wird die Entwicklung von temperatur- und proteinresponsiven Sensormaterialien auf Basis von biokompatiblen, inversen Hydrogelopalen (IHO) vorgestellt, mit welchen die spezifische Erkennung größerer Biomoleküle visuell ausgelesen werden kann. Die Darstellung der IHOs erfolgte mittels Templatverfahren, bei dem im ersten Schritt monodisperse Silicapartikel vertikal auf Objektträger abgeschieden wurden. Die so erhaltenen Kolloidkristalle mit einer Dicke von 5 μm zeigten opaleszente Reflexionen aufgrund der gleichförmigen Anordnung der Partikel. Im zweiten Schritt wurde das Templat in eine Matrix aus biokompatiblen, thermoresponsiven Hydrogelen eingebettet. Die Comonomere wurden aus der Familie der Oligo(ethylenglykol)methacrylate ausgewählt. Zur Synthese des Hydrogels wurde die Monomerlösung in eine Polymerisationsform injiziert, welche die Kolloidkristalle als Templat beinhaltete. Die Zwischenräume der Templatpartikel wurden mit der Monomerlösung gefüllt und das Hydrogelnetzwerk per UV-Polymerisation erhalten. Die Templatpartikel wurden anschließend nasschemisch heraus gelöst, so dass eine poröse innere Struktur erhalten wurde. Die regelmäßige Anordnung der Poren und damit die opaleszenten Reflexionen wurden dabei beibehalten, so dass diese Systeme als inverse Hydorgelopale bezeichnet werden. Ein Porendurchmesser von mehreren hundert Nanometer, sowie durchgängige Verbindungskanäle zwischen den einzelnen Poren sollten eine Diffusion von großen (Bio)molekülen erleichtern, was bei bisherigen Systemen ein Problem darstellte. Die Copolymerzusammensetzung wurde dabei so gewählt, dass ein Kollaps des Hydrogels über 35 °C stattfand. Alle Hydrogele zeigten ausgeprägte Quellung in Wasser unterhalb der kritischen Temperatur. Der Einbau von reaktiven Comonomeren mit Hydroxylgruppen gewährleistete dabei die Funktionalisierbarkeit des Hydrogels mit Erkennungsgruppen für entsprechende Analytmoleküle, wie z.B. Proteine. Als Testsystem wurde Biotin als Erkennungseinheit für Avidin in das Hydrogel mittels polymeranaloger Steglich Veresterung eingebaut. Die Menge an zugänglichem Biotin wurde dabei per colorimetrischem Bindungsassay quantifiziert. Dabei zeigte sich, dass sich die Wellenlänge der Reflexion nach Zugabe von Avidin zum biotinylierten inversen Hydrogelopal signifikant verschob und damit das Bindungsereignis visuell auslesbar ist. Dieser Effekt beruht auf dem veränderten Quellungsverhalten des Hydrogels nach Bindung des hydrophilen Proteins Avidin in Wasser, welches durch den thermosresponsiven Charakter des Hydrogels verstärkt ist. Ein Aufweiten oder Schrumpfen der Poren ändert die Abstände der gleichmäßig angeordneten Poren, welche für die Farbe des inversen Opals verantwortlich sind. Auf Basis dieser Erkenntnisse lassen sich möglicherweise Sensormaterialen für die Erkennung weiterer Biomoleküle in der Größenordnung von Avidin erstellen.
KW  - hydrogel
KW  - opal
KW  - protein
KW  - responsive
KW  - sensor
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70179
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TY  - THES
A1  - Metzke, Sarah
T1  - Synthesis and characterization of transition metal nitrides and carbides for catalysis and electrochemistry application
N2  - It was the goal of this work to explore two different synthesis pathways using green chemistry. The first part of this thesis is focusing on the use of the urea-glass route towards single phase manganese nitride and manganese nitride/oxide nano-composites embedded in carbon, while the second part of the thesis is focusing on the use of the “saccharide route” (namely cellulose, sucrose, glucose and lignin) towards metal (Ni0), metal alloy (Pd0.9Ni0.1, Pd0.5Ni0.5, Fe0.5Ni0.5, Cu0.5Ni0.5 and W0.15Ni0.85) and ternary carbide (Mn0.75Fe2.25C) nanoparticles embedded in carbon. In the interest of battery application, MnN0.43 nanoparticles surrounded by a graphitic shell and embedded in carbon with a high surface area (79 m^2/g) were synthesized, following a previously set route.The comparison of the material characteristics before and after the discharge showed no remarkable difference in terms of composition and just slight differences in the morphological point of view, meaning the particles are stable but agglomerate. The graphitic shell is contributing to the resistance of the material and leads to a fine cyclic stability over 140 cycles of 230 mAh/g after the first charge/discharge and coulombic efficiencies close to 100%. Due to the low voltage towards Li/Li+ and the low polarization, it might be an attractive anode material for lithium ion batteries. However, the capacity is still noticeably lower than the theoretical value for MnN0.43. A mixture of MnN0.43 and MnO nanoparticles embedded in carbon (surface area 93 m^2/g) was able to improve the cyclic stability to over 160 cycles giving a capacity of 811 mAh/g, which is considerably higher than the capacity of the conventional material graphite (372 mAh/g). This nano-composite seems to agglomerate less during the process of discharge. Interestingly, although the capacity is much higher than of the single phase manganese nitride, the nano-composite seems to only contain MnN0.43 nanoparticles after the process of discharge with no oxide phase to be found. Concerning catalysis application, different metal, metal alloy, and metal carbide nanoparticles were synthesized using the saccharide route. At first, systems that were already investigated before, being Pd0.9Ni0.1, Pd0.5Ni0.5, Fe0.5Ni0.5 and Mn0.75Fe2.25C using cellulose as the carbon source were prepared and tested in an alkylation reaction of toluene with benzylchloride. Unexpectedly, the metal alloys did not show any catalytic activity, but the ternary carbide Mn0.75Fe2.25C showed fine catalytic activity of 98% conversion after 9 hour reaction time (110 °C). In a second step, the saccharide route was modified towards other carbon sources and carbon to metal ratios in order to improve the homogeneity of the samples and accessibility of the particle surfaces. The used carbon sources sucrose and glucose are similar in their basic structure of carbohydrates, but reducing the (polymeric) chain length. Indeed, the cellulose could be successfully replaced by sucrose and glucose. A lower carbon to metal ratio was found to influence the size, homogeneity and accessibility (as evidenced by TEM) of the samples. Since sucrose is an aliment, glucose is the better choice as a carbon source. Using glucose, the synthesis of Cu0.5Ni0.5 and W0.15Ni0.85 nano-composites was also possible, although the later was never obtained as pure phase. These alloy nano-composites were tested, along with nickel0 nanoparticles also prepared with glucose and on their catalytic activity towards the reduction of phenylacetylene. The results obtained let believe that any (poly) saccharide, including lignin, could be used as carbon source. The nickel0 nano-composites prepared with lignin as a carbon source were tested along with those prepared with cellulose and sucrose for their catalytic activity in the transfer hydrogenation of nitrobenzene (results compared with exposed nickel nanoparticles and nickel supported on carbon) leading to very promising results. Based on the urea-glass route and the saccharide route, simple equipment and transition metals, it was possible to have a one-pot synthesize with scale-up possibilities towards new material that can be applied in catalysis and battery systems.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wird sowohl die Synthese von Mangannitrid- und -oxid-Nanopartikeln, als auch die Synthese verschiedener Metall- und Legierungsnanopartikel untersucht. Einen Schwerpunkt stellt dabei die Optimierung der Synthese unter den Gesichtspunkten der Nachhaltigkeit dar, was sich insbesondere in der Verwendung diverser nachwachsender Rohstoffe als Kohlenstoffquelle äußert. Für eine mögliche Anwendung in Akkumulatoren werden mit Graphit ummantelte MnN0.43-Nanopartikel mit einer großen Oberfläche (79 m^2/g) synthetisiert. Diese werden exemplarischen Ladezyklen unterzogen, wobei eine strukturelle und auch elektrochemische Stabilität festgestellt werden kann. Eine Mischung der Mangannitride mit Manganoxiden führt zu einer weiteren Verbesserung der Ladekapazität und einer weiteren Oberflächenvergrößerung (93 m^2/g). Die Langlebigkeit der Strukturen wird durch die Einbettung der Nanopartikel in Kohlenstoff unterstützt und kann zu einer Anwendung als Anodenmaterial in den heutzutage vielfach verwendeten Lithiumionen-Akkus führen. Im Sinne der Nachhaltigkeit ist auch die Entwicklung von Katalysatoren. Dabei soll insbesondere die Verwendung von Lignin, was als Bestandteil vieler Pflanzen zwar leicht verfügbar, aber unglücklicherweise bisher chemisch unverwertbar ist, fokussiert werden. Um sich diesem Ziel zu nähern und entsprechende Mechanismen zur Reduktion des Lignins zu entwickeln, werden in dieser Arbeit zunächst verschiedene Kohlenstoffquellen (wie Cellulose, Sucrose und Glucose) zur Synthese von reduktiven Katalysatoren untersucht. Der Kohlenstoff dient dabei sowohl als preiswertes Reduktionsmittel für Metallsalze zur Gewinnung von Metallnanopartikel als auch zur Stabilisierung ebendieser. Es werden vielfältige Legierungen mit Nickel (z.B. Pd0.9Ni0.1, Pd0.5.Ni0.5, Fe0.5.Ni0.5, und Cu0.5.Ni0.5) aber auch ternäre Carbide (z.B. Mn0.75Fe2.25C) erhalten, die schon in ersten Alkylierungs- und Hydrierungsreaktionen ein großes Potential als Katalysatoren zeigen. Um die erhaltenen Nanopartikel in zukünftigen Anwendungen nutzbar zu machen, ist eine ausführliche Charakterisierung unabdingbar. Auch die Ergebnisse der zahlreichen durchgeführten Analysen werden in dieser Arbeit zusammengestellt und bilden gemeinsam mit den optimierten Syntheserouten einen tiefgreifenden Überblick über dieses Forschungsfeld.
KW  - Nanopartikel
KW  - Katalyse
KW  - Übergangsmetall
KW  - grüne Chemie
KW  - carbothermisch
KW  - nanoparticles
KW  - catalysis
KW  - transition metal
KW  - green chemistry
KW  - carbothermal
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69835
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mondal, Suvendu Sekhar
T1  - Design of isostructural metal-imidazolate frameworks : application for gas storage
T1  - Synthese isostruktureller Metall-Imidazolat Frameworks : Anwendung für Gasspeicherung
N2  - The sharply rising level of atmospheric carbon dioxide resulting from anthropogenic emissions is one of the greatest environmental concerns facing our civilization today. Metal-organic frameworks (MOFs) are a new class of materials that constructed by metal-containing nodes bonded to organic bridging ligands. MOFs could serve as an ideal platform for the development of next generation CO2 capture materials owing to their large capacity for the adsorption of gases and their structural and chemical tunability. The ability to rationally select the framework components is expected to allow the affinity of the internal pore surface toward CO2 to be precisely controlled, facilitating materials properties that are optimized for the specific type of CO2 capture to be performed (post-combustion capture, precombustion capture, or oxy-fuel combustion) and potentially even for the specific power plant in which the capture system is to be installed. For this reason, significant effort has been made in recent years in improving the gas separation performance of MOFs and some studies evaluating the prospects of deploying these materials in real-world CO2 capture systems have begun to emerge. We have developed six new MOFs, denoted as IFPs (IFP-5, -6, -7, -8, -9, -10, IFP = Imidazolate Framework Potsdam) and two hydrogen-bonded molecular building block (MBB, named as 1 and 2 for Zn and Co based, respectively) have been synthesized, characterized and applied for gas storage. The structure of IFP possesses 1D hexagonal channels. Metal centre and the substituent groups of C2 position of the linker protrude into the open channels and determine their accessible diameter. Interestingly, the channel diameters (range : 0.3 to 5.2 Å) for IFP structures are tuned by the metal centre (Zn, Co and Cd) and substituent of C2 position of the imidazolate linker. Moreover hydrogen bonded MBB of 1 and 2 is formed an in situ functionalization of a ligand under solvothermal condition. Two different types of channels are observed for 1 and 2. Materials contain solvent accessible void space. Solvent could be easily removed by under high vacuum. The porous framework has maintained the crystalline integrity even without solvent molecules. N2, H2, CO2 and CH4 gas sorption isotherms were performed. Gas uptake capacities are comparable with other frameworks. Gas uptake capacity is reduced when the channel diameter is narrow. For example, the channel diameter of IFP-5 (channel diameter: 3.8 Å) is slightly lower than that of IFP-1 (channel diameter: 4.2 Å); hence, the gas uptake capacity and Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area are slightly lower than IFP-1. The selectivity does not depend only on the size of the gas components (kinetic diameter: CO2 3.3 Å, N2 3.6 Å and CH4 3.8 ) but also on the polarizability of the surface and of the gas components. IFP-5 and-6 have the potential applications for the separation of CO2 and CH4 from N2-containing gas mixtures and CO2 and CH4 containing gas mixtures. Gas sorption isotherms of IFP-7, -8, -9, -10 exhibited hysteretic behavior due to flexible alkoxy (e.g., methoxy and ethoxy) substituents. Such phenomenon is a kind of gate effects which is rarely observed in microporous MOFs. IFP-7 (Zn-centred) has a flexible methoxy substituent. This is the first example where a flexible methoxy substituent shows the gate opening behavior in a MOF. Presence of methoxy functional group at the hexagonal channels, IFP-7 acted as molecular gate for N2 gas. Due to polar methoxy group and channel walls, wide hysteretic isotherm was observed during gas uptake. The N2 The estimated BET surface area for 1 is 471 m2 g-1 and the Langmuir surface area is 570 m2 g-1. However, such surface area is slightly higher than azolate-based hydrogen-bonded supramolecular assemblies and also comparable and higher than some hydrogen-bonded porous organic molecules.
N2  - Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind eine neue Klasse von porösen Koordinationspolymeren, die aus Metall-Knoten und verbrückenden Liganden bestehen. MOFs können Gasgemische trennen und Gase speichern. Aufgrund ihres modularen Aufbaus können die MOF-Eigenschaften systematisch variiert werden. Ein wichtiges Ziel für das Design von MOFs ist die Synthese von Materialien, die eine hohe selektive Aufnahmefähigkeit und -kapazität für Kohlenstoffdioxid besitzen. Im Rahmen der Arbeit ist es gelungen sechs neue MOFs (IFP-5, -6, -7, -8, -9 und -10) zu synthetisieren. Diese MOFs tragen die Kurzbezeichnung IFP. IFP steht als Abkürzung für Imidazolat-Framework-Potsdam (Imidazolat-basierte Gerüstverbindung Potsdam). In diesen IFPs wurde der Metallknoten (Zink, Cobalt, Cadmium) und der Brückenligand, ein 2-substituiertes Imidazolat-amid-imidat, in der Position variiert, um gute und selektive Sorptionseigenschaften für Kohlenstoffdioxid zu erzielen. Von den synthetisierten Verbindungen hat das IFP-5 die besten Sorptionseigenschaften für Kohlenstoffdioxid. Es konnte weiter gezeigt werden, dass sich die IFP-Struktur bei der Wahl von geeigneten Substituenten 2, wie z.B. Methoxy und Ethoxy auch für das Design von gate-opening (Tür-öffnenden) Effekten eignet. Diese Effekte können wiederum genutzt werden, um selektiv Gasmischungen zu trennen. Wenn man das 4,5-Dicyano-2-methoxy-imidazol in Gegenwart von Zink- und Cobalt-Salzen unter solvothermalen Bedingungen zur Reaktion bringt, erhält man beispiellose supramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen zu einem dreidimensionalen Netzwerk, die mit Kanälen verknüpft sind. Diese Kanäle können von Lösungsmittelmolekülen (Wasser und Dimethylformamid) befreit werden und Gase aufnehmen. Insgesamt besteht nun die neue MOF-Klasse der Imidazolat-basierten IFPs aus Vertretern. Das Potential der 2-substituierten 4,5-Dicyanoimidazole ist nicht nur auf die Bildung von porösen Koordinationspolymeren beschränkt, sondern kann auch für die Synthese von bisher unbekannten supramolekularen Strukturen genutzt werden.
KW  - Metal-organic framework
KW  - Gas Sorption
KW  - Cobalt
KW  - Zinc
KW  - Ionic Liquid
KW  - metal-organic framework
KW  - gas sorption
KW  - cobalt
KW  - zinc
KW  - ionic liquid
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69692
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TY  - THES
A1  - Salffner, Katharina
T1  - Entwicklung eines breitbandigen Cavity-Ring-Down-Spektrometers unter Verwendung nahinfraroter, inkohärenter Strahlung
T1  - Development of a broadband cavity ring-down spectrometer using incoherent near-infrared radiation
N2  - In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Spektrometer für die Analyse von Gasen bzw. Gasgemischen vorgestellt und deren Design, Aufbau, Charakterisierung und Optimierung beschrieben. Das Resultat der Optimierung und Weiterentwicklungen ist ein spektral breitbandiges Cavity-Ring-Down-Spektrometer (CRD-Spektrometer). Ausgangspunkt der hier vorgestellten Arbeit ist ein Spektrometer auf Basis klassischer Absorptionsspektroskopie in einer Multireflexionszelle. Für dieses Spektrometer wurde als Strahlquelle ein Superkontinuumlaser verwendet. Der Vorteil dieses Spektrometers liegt in seiner Kompaktheit. Mit diesem Spektrometer wurden Absorptionsspektren von mehreren Reingasen und einem Gasgemisch über einen Wellenlängenbereich von 1500 nm – 1700 nm aufgenommen. Der qualitative Vergleich mit zu erwartenden Spektren, welche auf der HITRAN-Datenbank basieren, zeigte eine gute Übereinstimmung. Die quantitative Interpretierbarkeit der Daten war jedoch stark eingeschränkt aufgrund des hohen zufälligen und systematischen Fehlers der Messungen. Als Konsequenz aus der als nicht zufriedenstellend bewerteten quantitativen Interpretierbarkeit der Daten wurde eine alternative Messmethode gesucht, welche eine höhere Sensitivität und Genauigkeit ermöglicht. Die Wahl fiel auf die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie, eine resonatorgestützte Variante der Absorptionsspektroskopie. Wesentliche Vorteile dieser Technik sind a) die Unabhängigkeit von Leistungsschwankungen der Strahlquelle, b) ein effektiver Absorptionsweg von bis zu mehreren Kilometern, welcher sich unmittelbar auf die Sensitivität der Messungen auswirkt, c) die Ermittlung absoluter Absorberkonzentrationen, ohne die Notwendigkeit einer Kalibrierung oder den Vergleich mit einer Referenzzelle und d) die Vernachlässigbarkeit von Absorptionen außerhalb des Resonators. Als notwendiger Zwischenschritt auf dem Weg zu einem breitbandigen CRD-Spektrometer wurde zunächst ein monochromatisches CRD-Spektrometer designt, aufgebaut und charakterisiert. Für die effektive Einkopplung von Strahlungsenergie in einen Resonator ist die Anpassung der Strahlparameter an die Mode des Resonators notwendig. Voraussetzung dieser Anpassung ist die Kenntnis der Strahlparameter, welche experimentell ermittelt wurden. Im Laufe des Aufbaus des Spektrometers ergab sich, dass trotz der Modenanpassung die Einkopplung der Strahlungsenergie in den Resonator gestört wurde. Daraufhin wurden systematisch mögliche Ursachen dieser Störung untersucht und das Spektrometer optimiert. Mit diesem optimierten Spektrometer wurden Spektren gemessen, welche sowohl qualitativ als auch quantitativ gut mit den zu erwartenden Spektren übereinstimmen. Als Nachweisgrenze dieses Spektrometers wurde ein Wert für den Absorptionskoeffizienten alpha von 10^-8 cm-1 bestimmt. Mit dem monochromatischen CRD-Spektrometer war es zudem möglich, isotopenspezifische Messungen durchzuführen. Für das breitbandige Spektrometer wurde als Strahlquelle eine ASE-Diode (amplified spontaneous emission) verwendet. Dabei handelt es sich um eine inkohärente Strahlquelle. Mittels Messungen nach dem Prinzip der Cavity-Enhanced-Absorptionsspektroskopie wurde die generelle Funktionalität des resonatorgestützten Spektrometers überprüft. Anschließend wurden die wellenlängenabhängigen Abklingsignale des leeren und des mit einem CO2-Luft-Gemisch gefüllten Resonators gemessen und ebenfalls mit den zu erwartenden Spektren verglichen. Qualitativ stimmen die experimentellen Spektren gut mit den zu erwartenden Spektren überein. Für die quantitative Interpretation der Daten wurde ein spezieller Algorithmus entwickelt, der die spektrale Auflösung des Systems berücksichtigt. Mit dem vorgestellten Spektrometer ist so die qualitative und quantitative Interpretation der Spektren möglich. Die Nachweisgrenze des breitbandigen Cavity-Ring-Down-Spektrometers wurde zu einem Wert von alpha = 8x10^-7 cm-1 bestimmt. Der systematischen und der zufällige Fehler der Messungen lagen bei Werten von ca. 1%. Bei diesem Spektrometer handelt es sich um einen Prototyp. Mittels Optimierung des Systems lassen sich sowohl der Wert der Nachweisgrenze als auch die Fehler der Messungen verbessern.
N2  - This thesis presents the design, set-up, characterisation and optimization of various spectrometers to be used for the analysis of gases and gas mixtures. The result of this optimization and its further development is a spectrally broadband cavity ring-down spectrometer (CRD spectrometer), which uses an incoherent light source that emits in the near-infrared. The starting point of the development was a spectrometer which is based on classic absorption spectroscopy inside a multipass cell. This spectrometer uses a supercontinuum laser as light source. The advantage of this spectrometer is its compactness. With this spectrometer, the spectra of various gases and a gas mixture were detected in the spectral range of 1500 nm to 1700 nm. The experimentally derived spectra are in good qualitative accordance to expected spectra based on the HITRAN database. Nevertheless, the qualitative interpretation of the data reveals significant systematic and random errors. As a consequence, a different spectroscopic approach was chosen. The method of choice was cavity ring-down spectroscopy. The advantages of this technique are a) the independence from power fluctuations of the light source, b) an effective absorption path length of up to several kilometres, c) absolute measurement of absorber concentration and d) independence of absorption outside of the cavity. As an important intermediate step on the way to the broadband CRD spectrometer, a monochromatic CRD spectrometer was designed, set up and characterised. To effectively couple light into the cavity, the beam parameters have to be matched to the cavity’s mode. Prerequisite of this mode matching is the knowledge of the beam parameters, which were determined experimentally. Despite this mode matching, the coupling of the light into the cavity turned out to be instable. The cause of that disturbance was systematically investigated, which let to an optimization of the system. The spectra measured with this optimized system were in very good qualitative and quantitative agreement with the expected spectra. The limit of detection of this spectrometer was determined to an absorption coefficient alpha of 10^-8 cm-1. Furthermore, isotope-selective measurements were performed. The light source of the broadband CRD spectrometer is an amplified spontaneous emission diode, which is an incoherent light source. The general functionality of the spectrometer was first tested by means of CEAS measurements (cavity enhanced absorption spectroscopy). Afterwards, the wavelength dependent ring-down signals of the empty cavity and the cavity filled with a CO2 air mixture were detected. The qualitative comparison with the expected data shows very good agreement. For the quantitative interpretation of the experimental data, a special algorithm was developed. Thereby the data measured with the presented spectrometer can be interpreted both qualitatively and quantitatively. The limit of detection of the broadband CRD spectrometer was determined to a value of alpha = 8x10^-7 cm-1. The systematic and the random error are in the range of 1 %. The presented spectrometer is a prototype. Therefore the systematic and random error will be improved by further optimization of the spectrometer.
KW  - Spektroskopie
KW  - Nahinfrarot (NIR)
KW  - Breitband
KW  - Cavity Ring-Down
KW  - Gassensorik
KW  - spectroscopy
KW  - near-infrared (NIR)
KW  - broadband
KW  - cavity ring-down
KW  - gas sensing
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68952
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TY  - THES
A1  - Lemke, Karina
T1  - Abtrennung und Charakterisierung von Polyelektrolyt-modifizierten Nanopartikeln
T1  - Separation and characterization of polyelectrolyte-modified nanoparticles
N2  - Gegenstand der Dissertation ist die größen- und eigenschaftsoptimierte Synthese und Charakterisierung von anorganischen Nanopartikeln in einer geeigneten Polyelektrolytmodifizierten Mikroemulsion. Das Hauptziel bildet dabei die Auswahl einer geeigneten Mikroemulsion, zur Synthese von kleinen, stabilen, reproduzierbaren Nanopartikeln mit besonderen Eigenschaften. Die vorliegende Arbeit wurde in zwei Haupteile gegliedert. Der erste Teil befasst sich mit der Einmischung von unterschiedlichen Polykationen (lineares Poly (diallyldimethylammoniumchlorid) (PDADMAC) und verzweigtes Poly (ethylenimin) (PEI)) in verschiedene, auf unterschiedlichen Tensiden (CTAB - kationisch, SDS - anionisch, SB - zwitterionisch) basierenden, Mikroemulsionssysteme. Dabei zeigt sich, dass das Einmischen der Polykationen in die Wassertröpfchen der Wasser-in-Öl (W/O) Mikroemulsion prinzipiell möglich ist. Der Einfluss der verschiedenen Polykationen auf das Phasenverhalten der W/O Mikroemulsion ist jedoch sehr unterschiedlich. In Gegenwart des kationischen Tensids führen die repulsiven Wechselwirkungen mit den Polykationen zu einer Destabilisierung des Systems, während die ausgeprägten Wechselwirkungen mit dem anionischen Tensid in einer deutlichen Stabilisierung des Systems resultieren. Für das zwitterionische Tensid führen die moderaten Wechselwirkungen mit den Polykationen zu einer partiellen Stabilisierung. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz der unterschiedlichen, Polyelektrolyt- modifizierten Mikroemulsionen als Templatphase für die Herstellung verschiedener, anorganischer Nanopartikel. Die CTAB-basierte Mikroemulsion erweist sich dabei als ungeeignet für die Herstellung von CdS Nanopartikeln, da zum einen nur eine geringe Toleranz gegenüber den Reaktanden vorhanden ist (Destabilisierungseffekt) und zum anderen das Partikelwachstum durch den Polyelektrolyt-Tensid-Film nicht ausreichend begrenzt wird. Zudem zeigt sich, dass eine Abtrennung der Partikel aus der Mikroemulsion nicht möglich ist. Die SDS-basierten Mikroemulsionen, erweisen sich als geeignete Templatphase zur Synthese kleiner anorganischer Nanopartikel (3 – 20 nm). Sowohl CdS Quantum Dots, als auch Gold Nanopartikel konnten erfolgreich in der Mikroemulsion synthetisiert werden, wobei das verzweigte PEI einen interessanten Templat-Effekt in der Mikroemulsion hervorruft. Als deutlicher Nachteil der SDS-basierten Mikroemulsionen offenbaren sich die starken Wechselwirkungen zwischen dem Tensid und den Polyelektrolyten während der Aufarbeitung der Nanopartikel aus der Mikroemulsion. Dabei erweist sich die Polyelektrolyt-Tensid-Komplexbildung als hinderlich für die Redispergierung der CdS Quantum Dots in Wasser, so dass Partikelaggregation einsetzt. Die SB-basierten Mikroemulsionen erweisen sich als günstige Templatphase für die Bildung von größen- und eigenschaftenoptimierten Nanopartikeln (< 4 nm), wobei insbesondere eine Modifizierung mit PEI als ideal betrachtet werden kann. In Gegenwart des verzweigten PEI gelang es erstmals ultrakleine, fluoreszierende Gold Cluster (< 2 nm) in einer SB-basierten Mikroemulsion als Templatphase herzustellen. Als besonderer Vorteil der SB-basierten Mikroemulsion zeigen sich die moderaten Wechselwirkungen zwischen dem zwitterionischen Tensid und den Polyelektrolyten, welche eine anschließende Abtrennung der Partikel aus der Mikroemulsion unter Erhalt der Größe und ihrer optischen Eigenschaften ermöglichen. In der redispergierten wässrigen Lösung gelang somit eine Auftrennung der PEI-modifizierten Partikel mit Hilfe der asymmetrischer Fluss Feldflussfraktionierung (aF FFF). Die gebildeten Nanopartikel zeigen interessante optische Eigenschaften und können zum Beispiel erfolgreich zur Modifizierung von Biosensoren eingesetzt werden.
N2  - This work is focused on the formation, recovery and characterisation of inorganic nanoparticles in a tailor-made polycation-modified reverse microemulsion. The main aim is the choice of an adequate microemulsion for the synthesis of small, uniform, reproducible nanoparticles with specialn characteristics. The first part is focused on the incorporation of two different polycations, low molecular weight linear poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC) and low molecular weight branched poly(ethyleneimine) (PEI) in different surfactant-based (CTAB – cationic, SDS – anionic, SB - zwitterionic) w/o microemulsions. In principle the incorporation of the polycations in the small water droplets is possible, but the influence of the polycations on the phase behaviour is different. Repulsive interactions induce a destabilisation of the w/o microemulsion for cationic surfactant CTAB, while the distinctive interactions between the anionic surfactant SDS and the polycations induce an extension of the phase range and a considerable stabilisation. In case of zwitterionic surfactant SB a partial destabilisation can be observed, according to the lower interactions with the polycations. The second part is focused on the formation of different, inorganic nanoparticles in these polyelectrolyte-modified reverse microemulsions as a template phase. The CTAB-based microemulsion is not adequate for the formation of CdS nanoparticles, according to the low tolerance towards the reactants (destabilisation effect). Furthermore the particle growth cannot be limited by the surfactant-polycation-film and a recovery of the nanoparticles from the microemulsion is not possible. The results show that the SDS-based quaternary template phase consisting of water, toluene-pentanol (1:1), and the anionic surfactant SDS in presence of PEI or PDADMAC can be successfully used for the synthesis of polymer capped inorganic nanoparticles (3 – 20 nm). CdS quantum dots, as well as gold nanoparticles are successfully synthesised in the microemulsion droplets. Especially PEI acts as a reducing and stabilizing agent and shows an additional, interesting template effect in the microemulsion. Unfortunately a recovery of the nanoparticles without a particle aggregation is not possible due to the strong surfactant polycation interactions, which lead to polycation-surfactant complexes. The SB-based microemulsion can be successfully used as a tailor-made polycation-modifiedreverse microemulsion for the formation of small, uniform nanoparticles (< 4 nm) with special characteristics. Especially a modification with PEI is optimal and for the first time small, fluorescent gold cluster (< 2 nm) can be synthesised in a SB-based microemulsion as template phase. The results show that the electrostatic interactions between the polycation and the surfactant are of high relevance especially in the solvent evaporation and redispersion process. That means only in the case of moderate polycation-surfactant interactions a redispersion of the polymer capped particles without problems of aggregation is possible and the size and characteristics are unchanged in the redispersed solution. By means of asymmetric flow field flow fractionation (af-fff) it becomes possible to separate the two cluster fractions from each other as well as from the nanoparticle fraction with diameter > 5 nm. This opens a way to use the nanoparticles with their interesting, optical characteristics in different new fields of application for example for modification of biosensors.
KW  - Mikroemulsion
KW  - Gold Cluster
KW  - Quantum Dots
KW  - Feldflussfraktionierung
KW  - Nanopartikel
KW  - Microemulsion
KW  - Gold Cluster
KW  - Quantum Dots
KW  - Field Flow Fractionation
KW  - Nanoparticles
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68133
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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
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