TY - THES A1 - Qin, Qing T1 - Chemical functionalization of porous carbon-based materials to enable novel modes for efficient electrochemical N2 fixation T1 - Chemische Funktionalisierung von porösen Materialien auf Kohlenstoffbasis zur Ermöglichung neuartiger Verfahren für eine effiziente elektrochemische N2-Fixierung N2 - The central motivation of the thesis was to provide possible solutions and concepts to improve the performance (e.g. activity and selectivity) of electrochemical N2 reduction reaction (NRR). Given that porous carbon-based materials usually exhibit a broad range of structural properties, they could be promising NRR catalysts. Therefore, the advanced design of novel porous carbon-based materials and the investigation of their application in electrocatalytic NRR including the particular reaction mechanisms are the most crucial points to be addressed. In this regard, three main topics were investigated. All of them are related to the functionalization of porous carbon for electrochemical NRR or other electrocatalytic reactions. In chapter 3, a novel C-TixOy/C nanocomposite has been described that has been obtained via simple pyrolysis of MIL-125(Ti). A novel mode for N2 activation is achieved by doping carbon atoms from nearby porous carbon into the anion lattice of TixOy. By comparing the NRR performance of M-Ts and by carrying out DFT calculations, it is found that the existence of (O-)Ti-C bonds in C-doped TixOy can largely improve the ability to activate and reduce N2 as compared to unoccupied OVs in TiO2. The strategy of rationally doping heteroatoms into the anion lattice of transition metal oxides to create active centers may open many new opportunities beyond the use of noble metal-based catalysts also for other reactions that require the activation of small molecules as well. In chapter 4, a novel catalyst construction composed of Au single atoms decorated on the surface of NDPCs was reported. The introduction of Au single atoms leads to active reaction sites, which are stabilized by the N species present in NDPCs. Thus, the interaction within as-prepared AuSAs-NDPCs catalysts enabled promising performance for electrochemical NRR. For the reaction mechanism, Au single sites and N or C species can act as Frustrated Lewis pairs (FLPs) to enhance the electron donation and back-donation process to activate N2 molecules. This work provides new opportunities for catalyst design in order to achieve efficient N2 fixation at ambient conditions by utilizing recycled electric energy. The last topic described in chapter 5 mainly focused on the synthesis of dual heteroatom-doped porous carbon from simple precursors. The introduction of N and B heteroatoms leads to the construction of N-B motives and Frustrated Lewis pairs in a microporous architecture which is also rich in point defects. This can improve the strength of adsorption of different reactants (N2 and HMF) and thus their activation. As a result, BNC-2 exhibits a desirable electrochemical NRR and HMF oxidation performance. Gas adsorption experiments have been used as a simple tool to elucidate the relationship between the structure and catalytic activity. This work provides novel and deep insights into the rational design and the origin of activity in metal-free electrocatalysts and enables a physically viable discussion of the active motives, as well as the search for their further applications. Throughout this thesis, the ubiquitous problems of low selectivity and activity of electrochemical NRR are tackled by designing porous carbon-based catalysts with high efficiency and exploring their catalytic mechanisms. The structure-performance relationships and mechanisms of activation of the relatively inert N2 molecules are revealed by either experimental results or DFT calculations. These fundamental understandings pave way for a future optimal design and targeted promotion of NRR catalysts with porous carbon-based structure, as well as study of new N2 activation modes. N2 - Die zentrale Motivation der Arbeit war es, mögliche Lösungen und Konzepte zur Verbesserung der Leistung (z.B. Aktivität und Selektivität) der elektrochemischen N2-Reduktionsreaktion (NRR) anzubieten. Da poröse Materialien auf Kohlenstoffbasis in der Regel ein breites Spektrum an strukturellen Eigenschaften aufweisen, könnten sie vielversprechende NRR-Katalysatoren sein. Daher sind das fortgeschrittene Design neuartiger poröser Materialien auf Kohlenstoffbasis und die Untersuchung ihrer Anwendung in der elektrokatalytischen NRR einschließlich der besonderen Reaktionsmechanismen die wichtigsten Punkte, die angegangen werden müssen. In diesem Zusammenhang wurden drei Hauptthemen untersucht. Alle von ihnen stehen im Zusammenhang mit der Funktionalisierung von porösem Kohlenstoff für elektrochemische NRR oder andere elektrokatalytische Reaktionen. In Kapitel 3 wurde ein neuartiger C-TixOy/C-Nanokomposit beschrieben, der durch einfache Pyrolyse von MIL-125(Ti) gewonnen wurde. Ein neuartiger Modus für die N2-Aktivierung wird durch Dotierung von Kohlenstoffatomen aus nahegelegenem porösem Kohlenstoff in das Aniongitter von TixOy erreicht. Durch den Vergleich der NRR-Leistung von M-Ts und die Durchführung von DFT-Berechnungen wird festgestellt, dass die Existenz von (O-)Ti-C-Bindungen in C-dotiertem TixOy die Fähigkeit zur Aktivierung und Reduktion von N2 im Vergleich zu unbesetzten OVs in TiO2 erheblich verbessern kann. Die Strategie, Heteroatome rational in das Aniongitter von Übergangsmetalloxiden zu dotieren, um aktive Zentren zu schaffen, kann viele neue Möglichkeiten eröffnen, die über den Einsatz von edelmetallbasierten Katalysatoren hinausgehen, auch für andere Reaktionen, die ebenfalls die Aktivierung von kleinen Molekülen erfordern. In Kapitel 4 wurde über eine neuartige Katalysatorkonstruktion aus Au-Einzelatomen berichtet, die auf der Oberfläche von NDPCs dekoriert sind. Die Einführung von Au-Einzelatomen führt zu aktiven Reaktionsstellen, die durch die in NDPCs vorhandenen N-Spezies stabilisiert werden. So ermöglichte die Interaktion innerhalb von hergestellten AuSAs-NDPCs-Katalysatoren eine vielversprechende Leistung für die elektrochemische NRR. Für den Reaktionsmechanismus können Au-Einzelstandorte und N- oder C-Spezies als frustrierte Lewis-Paare (FLPs) fungieren, um den Elektronenabgabe- und Rückgabeprozess zur Aktivierung von N2-Molekülen zu verbessern. Diese Arbeit bietet neue Möglichkeiten für das Design von Katalysatoren, um eine effiziente N2-Fixierung unter Umgebungsbedingungen durch die Nutzung recycelter elektrischer Energie zu erreichen. Das letzte in Kapitel 5 beschriebene Thema konzentrierte sich hauptsächlich auf die Synthese von dualem heteroatomdotiertem porösem Kohlenstoff aus einfachen Vorläufern. Die Einführung von N- und B-Heteroatomen führt zur Konstruktion von N-B-Motiven und frustrierten Lewis-Paaren in einer mikroporösen Architektur, die ebenfalls reich an Punktdefekten ist. Dies kann die Adsorptionskraft verschiedener Reaktanden (N2 und HMF) und damit deren Aktivierung verbessern. Infolgedessen weist BNC-2 eine wünschenswerte elektrochemische NRR- und HMF-Oxidationsleistung auf. Gasadsorptionsexperimente wurden als einfaches Werkzeug zur Aufklärung des Zusammenhangs zwischen Struktur und katalytischer Aktivität eingesetzt. Diese Arbeit liefert neue und tiefe Einblicke in das rationale Design und den Ursprung der Aktivität bei metallfreien Elektrokatalysatoren und ermöglicht eine physikalisch tragfähige Diskussion der aktiven Motive, sowie die Suche nach deren weiteren Anwendungen. Während dieser Arbeit, die allgegenwärtigen Probleme der niedrigen Selektivität und Aktivität der elektrochemischen NRR werden durch die Gestaltung poröser Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis mit hoher Effizienz und die Erforschung ihrer katalytischen Mechanismen. Die Struktur-Leistungsbeziehungen und Aktivierungsmechanismen der relativ inerten N2-Moleküle werden entweder durch experimentelle Ergebnisse oder DFT-Berechnungen aufgezeigt. Diese grundlegenden Erkenntnisse ebnen den Weg für ein zukünftiges optimales Design und eine gezielte Förderung von NRR-Katalysatoren mit poröser Kohlenstoffstruktur, sowie für die Untersuchung neuer N2-Aktivierungsmodi. KW - N2 fixation KW - porous carbon-based materials KW - ammonia KW - selectivity KW - N2-Fixierung KW - porösen Materialien auf Kohlenstoffbasis KW - Ammoniak KW - Selektivität Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-443397 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 -