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  - Glatzel, Stefan
T1  - Cellulose based transition metal nano-composites : structuring and development
T1  - Zellulose-basierte Übergangsmetall Nano-Komposite : Strukturierung und Entwicklung
N2  - Cellulose is the most abundant biopolymer on earth. In this work it has been used, in various forms ranging from wood to fully processed laboratory grade microcrystalline cellulose, to synthesise a variety of metal and metal carbide nanoparticles and to establish structuring and patterning methodologies that produce highly functional nano-hybrids. To achieve this, the mechanisms governing the catalytic processes that bring about graphitised carbons in the presence of iron have been investigated. It was found that, when infusing cellulose with an aqueous iron salt solution and heating this mixture under inert atmosphere to 640 °C and above, a liquid eutectic mixture of iron and carbon with an atom ratio of approximately 1:1 forms. The eutectic droplets were monitored with in-situ TEM at the reaction temperature where they could be seen dissolving amorphous carbon and leaving behind a trail of graphitised carbon sheets and subsequently iron carbide nanoparticles. These transformations turned ordinary cellulose into a conductive and porous matrix that is well suited for catalytic applications. Despite these significant changes on the nanometre scale the shape of the matrix as a whole was retained with remarkable precision. This was exemplified by folding a sheet of cellulose paper into origami cranes and converting them via the temperature treatment in to magnetic facsimiles of those cranes. The study showed that the catalytic mechanisms derived from controlled systems and described in the literature can be transferred to synthetic concepts beyond the lab without loss of generality. Once the processes determining the transformation of cellulose into functional materials were understood, the concept could be extended to other metals and metal-combinations. Firstly, the procedure was utilised to produce different ternary iron carbides in the form of MxFeyC (M = W, Mn). None of those ternary carbides have thus far been produced in a nanoparticle form. The next part of this work encompassed combinations of iron with cobalt, nickel, palladium and copper. All of those metals were also probed alone in combination with cellulose. This produced elemental metal and metal alloy particles of low polydispersity and high stability. Both features are something that is typically not associated with high temperature syntheses and enables to connect the good size control with a scalable process. Each of the probed reactions resulted in phase pure, single crystalline, stable materials. After showing that cellulose is a good stabilising and separating agent for all the investigated types of nanoparticles, the focus of the work at hand is shifted towards probing the limits of the structuring and pattering capabilities of cellulose. Moreover possible post-processing techniques to further broaden the applicability of the materials are evaluated. This showed that, by choosing an appropriate paper, products ranging from stiff, self-sustaining monoliths to ultra-thin and very flexible cloths can be obtained after high temperature treatment. Furthermore cellulose has been demonstrated to be a very good substrate for many structuring and patterning techniques from origami folding to ink-jet printing. The thereby resulting products have been employed as electrodes, which was exemplified by electrodepositing copper onto them. Via ink-jet printing they have additionally been patterned and the resulting electrodes have also been post functionalised by electro-deposition of copper onto the graphitised (printed) parts of the samples. Lastly in a preliminary test the possibility of printing several metals simultaneously and thereby producing finely tuneable gradients from one metal to another have successfully been made. Starting from these concepts future experiments were outlined. The last chapter of this thesis concerned itself with alternative synthesis methods of the iron-carbon composite, thereby testing the robustness of the devolved reactions. By performing the synthesis with partly dissolved scrap metal and pieces of raw, dry wood, some progress for further use of the general synthesis technique were made. For example by using wood instead of processed cellulose all the established shaping techniques available for wooden objects, such as CNC milling or 3D prototyping, become accessible for the synthesis path. Also by using wood its intrinsic well defined porosity and the fact that large monoliths are obtained help expanding the prospect of using the composite. It was also demonstrated in this chapter that the resulting material can be applied for the environmentally important issue of waste water cleansing. Additionally to being made from renewable resources and by a cheap and easy one-pot synthesis, the material is recyclable, since the pollutants can be recovered by washing with ethanol. Most importantly this chapter covered experiments where the reaction was performed in a crude, home-built glass vessel, fuelled – with the help of a Fresnel lens – only by direct concentrated sunlight irradiation. This concept carries the thus far presented synthetic procedures from being common laboratory syntheses to a real world application. Based on cellulose, transition metals and simple equipment, this work enabled the easy one-pot synthesis of nano-ceramic and metal nanoparticle composites otherwise not readily accessible. Furthermore were structuring and patterning techniques and synthesis routes involving only renewable resources and environmentally benign procedures established here. Thereby it has laid the foundation for a multitude of applications and pointed towards several future projects reaching from fundamental research, to application focussed research and even and industry relevant engineering project was envisioned.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Strukturierung von Nanokompositen, d.h. mit ausgedehnten Strukturen, welche Nanopartikel enthalten. Im Zuge der Arbeit wurde der Mechanismus der katalytischen Graphitisierung, ein Prozess, bei dem ungeordneter Kohlenstoff durch metallische Nanopartikel in geordneten (graphitischen) Kohlenstoff überführt wird, aufgeklärt. Dies wurde exemplarisch am Beispiel von Zellulose und Eisen durchgeführt. Die untersuchte Synthese erfolgte durch das Lösen eines Eisensalzes in Wasser und die anschließende Zugabe von so viel Zellulose, dass das die gesamte Eisensalzlösung aufgenommen wurde. Die so erhaltene Mischung wurde anschließend unter Schutzgas innerhalb kürzester Zeit auf 800 °C erhitzt. Hierbei zeigte sich, dass zu Beginn der Reaktion Eisenoxidnanopartikel (Rost) auf der Oberfläche der Zellulose entstehen. Beim weiteren Erhöhen der Temperatur werden diese Partikel zu Eisenpartikeln umgewandelt. Diese lösen dann kleine Bereiche der Zellulose auf, wandeln sich in Eisenkarbid um und scheiden graphitischen Kohlenstoff ab. Nach der Reaktion sind die Zellulosefasern porös, jedoch bleibt ihre Faserstruktur vollkommen erhalten. Dies konnte am Beispiel eines Origamikranichs gezeigt werden, welcher nach dem Erhitzen zwar seine Farbe von Weiß zu Schwarz verändert hatte, ansonsten aber seine Form vollkommen beibehält. Aufgrund der eingebetteten Eisenkarbid Nanopartikel war der Kranich außerdem hochgradig magnetisch. Basierend auf dieser Technik wurden außerdem winzige metallische Nanopartikel aus Nickel, Nickel-Palladium, Nickel-Eisen, Kobalt, Kobalt-Eisen und Kupfer, sowie Partikel aus den Verbundkarbiden Eisen-Mangan-Karbid und Eisen-Wolfram-Karbid, jeweils in verschiedenen Mischungsverhältnissen, hergestellt und analysiert. Da die Vorstufe der Reaktion flüssig ist, konnte diese mit Hilfe eines einfachen kommerziellen Tintenstrahldruckers strukturiert auf Zellulosepapier aufgebracht werden. Dies ermöglicht gezielt Leiterbahnen, bestehend aus graphitisiertem Kohlenstoff, in ansonsten ungeordnetem (amorphen) Kohlenstoff zu erzeugen. Diese Methode wurde anschließend auf Systeme mit mehreren Metallen übertragen. Hierbei wurde die Tatsache, dass moderne Drucker vier Tintenpatronen beherbergen, ausgenutzt um Nanopartikel mit beliebigen Mischungsverhältnisse von Metallen zu erzeugen. Dieser Ansatz hat potentiell weitreichende Auswirkungen im Feld der Katalyse, da hiermit hunderte oder gar tausende Mischungen simultan erzeugt und getestet werden können. Daraus würden sich große Zeiteinsparungen (Tage anstelle von Monaten) bei der Entwicklung neuer Katalysatoren ergeben. Der letzte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der umweltfreundlichen Synthese der obengenannten Komposite. Hierbei wurden erfolgreich Altmetall und Holzstücke als Ausgangstoffe verwandt. Zusätzlich wurde gezeigt, dass die gesamte Synthese ohne Verwendung von hochentwickeltem Equipment durchgeführt werden kann. Dazu wurde eine sogenannte Fresnel-Linse genutzt um Sonnenlicht zu bündeln und damit direkt die Reaktionsmischung auf die benötigten 800 °C zu erhitzen. Weiterhin wurde ein selbst gebauter Glasreaktor eingesetzt und gezeigt, wie das entstehende Produkt als Abwasserfilter genutzt werden kann. Die Kombination dieser Ergebnisse bedeutet, dass dieses System sich beispielsweise zum Einsatz in Katastrophenregionen eignen würde, um ohne Strom und besondere Ausrüstung vor Ort Wasserfilter herzustellen.
KW  - Zellulose
KW  - Übergangsmetalle
KW  - Carbide
KW  - Nanopartikel
KW  - Komposite
KW  - Cellulose
KW  - Transitionmetals
KW  - Carbides
KW  - Nanoparticles
KW  - Composites
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64678
ER  -