TY - THES A1 - Lepre, Enrico T1 - Nitrogen-doped carbonaceous materials for energy and catalysis N2 - Facing the environmental crisis, new technologies are needed to sustain our society. In this context, this thesis aims to describe the properties and applications of carbon-based sustainable materials. In particular, it reports the synthesis and characterization of a wide set of porous carbonaceous materials with high nitrogen content obtained from nucleobases. These materials are used as cathodes for Li-ion capacitors, and a major focus is put on the cathode preparation, highlighting the oxidation resistance of nucleobase-derived materials. Furthermore, their catalytic properties for acid/base and redox reactions are described, pointing to the role of nitrogen speciation on their surfaces. Finally, these materials are used as supports for highly dispersed nickel loading, activating the materials for carbon dioxide electroreduction. N2 - Angesichts der Umweltkrise werden neue Technologien benötigt, um unsere Gesellschaft zu erhalten. In diesem Zusammenhang zielt diese Arbeit darauf ab, die Eigenschaften und Anwendungen von nachhaltigen Materialien auf Kohlenstoffbasis zu untersuchen. Insbesondere wird über die Synthese und Charakterisierung eines breiten Spektrums poröser, kohlenstoffhaltiger Materialien berichtet, welche einen hohen Stickstoffgehalt, besitzen und aus Nukleobasen gewonnen werden. Diese Materialien werden als Kathoden für Li-Ionen-Kondensatoren verwendet, wobei der Schwerpunkt auf der Kathodenherstellung liegt und die Oxidationsbeständigkeit, der aus Nukleobasen gewonnenen Materialien, hervorgehoben wird. Darüber hinaus werden ihre katalytischen Eigenschaften für Säure/Base- und Redoxreaktionen beschrieben, wobei die Rolle der Speziierung des Stickstoffs auf ihren Oberflächen hervorgehoben wird. Schließlich werden diese Materialien als Träger für eine hochdisperse Beladung mit Nickel verwendet, wodurch die Materialien für die Kohlendioxid Elektroreduktion aktiviert werden. KW - heteroatom-doped carbons KW - heteroatom-dotierte Kohlenstoffe KW - porous materials KW - poröse Materialien KW - salt melt templating KW - Salzschmelze-Templating KW - heterogeneous catalysis KW - heterogene Katalyse KW - single-atom catalysis KW - Einzelatomkatalyse KW - Li-ion capacitor KW - Li-Ionen-Kondensator Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-577390 ER - TY - THES A1 - Jordan, Thomas T1 - CxNy-materials from supramolecular precursors for “All-Carbon” composite materials T1 - CxNy-Materialien aus supramolekularen Precursoren für „All-Carbon“-Komposit-Materialien N2 - Among modern functional materials, the class of nitrogen-containing carbons combines non-toxicity and sustainability with outstanding properties. The versatility of this materials class is based on the opportunity to tune electronic and catalytic properties via the nitrogen content and –motifs: This ranges from the electronically conducting N-doped carbon, where few carbon atoms in the graphitic lattice are substituted by nitrogen, to the organic semiconductor graphitic carbon nitride (g-C₃N₄), with a structure based on tri-s-triazine units. In general, composites can reveal outstanding catalytic properties due to synergistic behavior, e.g. the formation of electronic heterojunctions. In this thesis, the formation of an “all-carbon” heterojunction was targeted, i.e. differences in the electronic properties of the single components were achieved by the introduction of different nitrogen motives into the carbon lattice. Such composites are promising as metal-free catalysts for the photocatalytic water splitting. Here, hydrogen can be generated from water by light irradiation with the use of a photocatalyst. As first part of the heterojunction, the organic semiconductor g-C₃N₄ was employed, because of its suitable band structure for photocatalytic water splitting, high stability and non-toxicity. The second part was chosen as C₂N, a recently discovered semiconductor. Compared to g-C₃N₄, the less nitrogen containing C₂N has a smaller band gap and a higher absorption coefficient in the visible light range, which is expected to increase the optical absorption in the composite eventually leading to an enhanced charge carrier separation due to the formation of an electronic heterojunction. The aim of preparing an “all-carbon” composite included the research on appropriate precursors for the respective components g-C₃N₄ and C₂N, as well as strategies for appropriate structuring. This was targeted by applying precursors which can form supramolecular pre-organized structures. This allows for more control over morphology and atom patterns during the carbonization process. In the first part of this thesis, it was demonstrated how the photocatalytic activity of g-C₃N₄ can be increased by the targeted introduction of defects or surface terminations. This was achieved by using caffeine as a “growth stopping” additive during the formation of the hydrogen-bonded supramolecular precursor complexes. The increased photocatalytic activity of the obtained materials was demonstrated with dye degradation experiments. The second part of this thesis was focused on the synthesis of the second component C₂N. Here, a deep eutectic mixture from hexaketocyclohexane and urea was structured using the biopolymer chitosan. This scaffolding resulted in mesoporous nitrogen-doped carbon monoliths and beads. CO₂- and dye-adsorption experiments with the obtained monolith material revealed a high isosteric heat of CO₂-adsorption and showed the accessibility of the monolithic pore system to larger dye molecules. Furthermore, a novel precursor system for C₂N was explored, based on organic crystals from squaric acid and urea. The respective C₂N carbon with an unusual sheet-like morphology could be synthesized by carbonization of the crystals at 550 °C. With this precursor system, also microporous C₂N carbon with a BET surface area of 865 m²/g was obtained by “salt-templating” with ZnCl₂. Finally, the preparation of a g-C₃N₄/C₂N “all carbon” composite heterojunction was attempted by the self-assembly of g-C₃N₄ and C₂N nanosheets and tested for photocatalytic water splitting. Indeed, the composites revealed high rates of hydrogen evolution when compared to bulk g-C₃N₄. However, the increased catalytic activity was mainly attributed to the high surface area of the nanocomposites rather than to the composition. With regard to alternative composite synthesis ways, first experiments indicated N-Methyl-2-pyrrolidon to be suitable for higher concentrated dispersion of C₂N nanosheets. Eventually, the results obtained in this thesis provide precious synthetic contributions towards the preparation and processing of carbon/nitrogen compounds for energy applications. N2 - Eine interessante Materialklasse für technologische Anwendungen sind Kohlenstoff/Stickstoff-Materialien, die sich durch Ungiftigkeit und Umweltfreundlichkeit bei gleichzeitig interessanten katalytischen Eigenschaften auszeichnen. Die Vielseitigkeit dieser Materialkasse basiert auf der Möglichkeit ihre katalytischen und elektronischen Eigenschaften über Stickstoff-Anteil und –Funktionalitäten zu beeinflussen. Die vorliegende Arbeit fokussierte sich auf Komposite zwischen verschiedenen Kohlenstoff/Stickstoff-Derivaten, für welche aufgrund ihrer unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften die Bildung elektronischer Heteroübergänge erwartet werden kann. Solche Komposite sind vielversprechende Materialien für die Erzeugung von Wasserstoff durch die photokatalytische Spaltung von Wasser. Für die eine Komponente des Komposits wurde das graphitische Kohlenstoffnitrid g-C₃N₄ eingesetzt, welches durch seine elektronische Struktur und Stabilität ein geeignetes Material für die photokatalytische Wasserspaltung ist. Für die andere Komponente des Komposits wurde eine erst kürzlich erstmalig beschriebene Kohlenstoff/Stickstoff Verbindung eingesetzt, das Kohlenstoffnitrid C₂N. Für dieses Komposit ist eine im Vergleich zu den einzelnen Komponenten stark erhöhte photokatalytische Aktivität zu erwarten. Neben dem Ziel der Herstellung eines solchen Komposits, fokussierte sich diese Arbeit auch darauf, neue Wege zur Synthese und Strukturierung der einzelnen Komponenten zu entwickeln. Dies sollte über supramolekulare Präkursor-Komplexe erfolgen, mit welchen eine erhöhte Einflussnahme auf Karbonisierungsprozesse erlangt werden kann. Im ersten Teil der Arbeit, welcher auf das graphitische Kohlenstoffnitrid g-C₃N₄ fokussiert war, wurde gezeigt wie die photokatalytische Aktivität dieser Komponente durch den gezielten Einbau von Defekten erhöht werden kann. Dies wurde über einen durch Koffein modifizierten supramolekularen Komplex als Präkursor erreicht. Die erhöhte photokatalytische Aktivität wurde über Farbstoff-Zersetzung nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit war auf die Herstellung und Strukturierung der neuartigen Verbindung C₂N fokussiert. Hier wurde gezeigt, wie eine eutektische Mischung zwischen Hexaketocyclohexan und Harnstoff als C₂N-Präkursor mit dem Polysaccharid Chitosan strukturiert werden kann. Hierbei wurden poröse Stickstoffhaltige Kohlenstoff-Monolithen und -Perlen erhalten, die eine hohe Adsorptionswärme für die CO₂-Adsorption zeigten. Weiterhin wurde ein neuartiger Präkursor für C₂N vorgestellt, eine organisch-kristalline Verbindung zwischen Quadratsäure und Harnstoff. Durch Karbonisation dieser Verbindung bei 550 °C wurde ein Material mit einer Zusammensetzung von C₂N und einer ungewöhnlichen, schichtartigen Morphologie erhalten. Über eine eutektische Salzschmelze mit Zinkchlorid, konnte mit diesem Präkursor-System auch mikroporöser C₂N-Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von 865 m²/g hergestellt werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die Herstellung des g-C₃N₄/C₂N-Komposits versucht, über die Selbstassemblierung von kolloidal dispergierten g-C₃N₄- und C₂N-Nanopartikeln. Die Nanopartikel wurden über Ultraschall-Behandlungen von Dispersionen dieser Komponenten hergestellt. Die erhaltenen Komposite zeigten eine hohe Aktivität zur photokatalytischen Wasserspaltung, wobei dies eher auf die hohe Oberfläche der Nanopartikel als auf ihre Zusammensetzung zurückgeführt wurde. Im Hinblick auf mögliche Alternativen zur Kompositherstellung, wurden erste Experimente zu höher konzentrierten kolloidalen Dispersionen von C₂N in dem organischen Lösungsmittel N-Methyl-2-pyrrolidon durchgeführt. Zusammenfassend, die Ergebnisse die in dieser Arbeit erhalten wurden, liefern einen wertvollen Beitrag zur Synthese und Strukturierung von Kohlenstoff/Stickstoff-Materialien sowie deren Anwendungen im Bereich alternative Energien. KW - carbon nitrides KW - supramolecular chemistry KW - porous materials KW - composite materials KW - photocatalysis KW - Kohlenstoffnitride KW - supramolekulare Chemie KW - poröse Materialien KW - Komposite KW - Photokatalyse Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398855 ER - TY - THES A1 - Pampel, Jonas T1 - Ionothermal carbon materials T1 - Ionothermale Kohlenstoffmaterialien BT - advanced synthesis and electrochemical applications BT - erweiterte Synthese und elektrochemische Anwendungen N2 - Alternative concepts for energy storage and conversion have to be developed, optimized and employed to fulfill the dream of a fossil-independent energy economy. Porous carbon materials play a major role in many energy-related devices. Among different characteristics, distinct porosity features, e.g., specific surface area (SSA), total pore volume (TPV), and the pore size distribution (PSD), are important to maximize the performance in the final device. In order to approach the aim to synthesize carbon materials with tailor-made porosity in a sustainable fashion, the present thesis focused on biomass-derived precursors employing and developing the ionothermal carbonization. During the ionothermal carbonization, a salt melt simultaneously serves as solvent and porogen. Typically, eutectic mixtures containing zinc chloride are employed as salt phase. The first topic of the present thesis addressed the possibility to precisely tailor the porosity of ionothermal carbon materials by an experimentally simple variation of the molar composition of the binary salt mixture. The developed pore tuning tool allowed the synthesis of glucose derived carbon materials with predictable SSAs in the range of ~ 900 to ~ 2100 m2 g-1. Moreover, the nucleobase adenine was employed as precursor introducing nitrogen functionalities in the final material. Thereby, the chemical properties of the carbon materials are varied leading to new application fields. Nitrogen doped carbons (NDCs) are able to catalyze the oxygen reduction reaction (ORR) which takes place on the cathodic site of a fuel cell. The herein developed porosity tailoring allowed the synthesis of adenine derived NDCs with outstanding SSAs of up to 2900 m2 g-1 and very large TPV of 5.19 cm3 g-1. Furthermore, the influence of the porosity on the ORR could be directly investigated enabling the precise optimization of the porosity characteristics of NDCs for this application. The second topic addressed the development of a new method to investigate the not-yet unraveled mechanism of the oxygen reduction reaction using a rotating disc electrode setup. The focus was put on noble-metal free catalysts. The results showed that the reaction pathway of the investigated catalysts is pH-dependent indicating different active species at different pH-values. The third topic addressed the expansion of the used salts for the ionothermal approach towards hydrated calcium and magnesium chloride. It was shown that hydrated salt phases allowed the introduction of a secondary templating effect which was connected to the coexistence of liquid and solid salt phases. The method enabled the synthesis of fibrous NDCs with SSAs of up to 2780 m2 g-1 and very large TPV of 3.86 cm3 g-1. Moreover, the concept of active site implementation by a facile low-temperature metalation employing the obtained NDCs as solid ligands could be shown for the first time in the context of ORR. Overall, the thesis may pave the way towards highly porous carbon with tailor-made porosity materials prepared by an inexpensive and sustainable pathway, which can be applied in energy related field thereby supporting the needed expansion of the renewable energy sector. N2 - Alternative Konzepte für Energiespeicherung und –umwandlung müssen entwickelt, optimiert und praktisch angewendet werden, um den Traum einer erdölunabhängigen Energiewirtschaft zu realisieren. Poröse Kohlenstoffmaterialien spielen eine bedeutende Rolle in vielen energierelevanten Anwendungen. Speziell die porösen Eigenschaften des Kohlenstoffs, wie die spezifische Oberfläche (engl. specific surface area: SSA), das totale Porenvolumen (engl. total pore volume: TPV) und die Porengrößenverteilung, sind von großer Bedeutung für eine Maximierung der Leistung in der Endanwendung. Die vorliegende Arbeit konzentrierte sich auf den Einsatz und die Weiterentwicklung der ionothermalen Karbonisierung ausgehend von biomassebasierten Präkursoren, um eine nachhaltige Synthese hochporöser Kohlenstoffe mit einstellbarer Porosität zu ermöglichen. In der ionothermalen Synthese fungieren Salzschmelzen simultan als Lösungsmittel und Porogen während der Karbonisierung. Als Salzphase werden hierbei häufig eutektische Zinkchloridhaltige binäre Salzmischungen verwendet. In der vorliegenden Arbeit wurde im ersten Schritt die Variation der molaren Zusammensetzung der binären Salzphase als neue Methode eingeführt, um eine kontinuierliche Veränderung der Porosität des synthetisierten Kohlenstoffs zu bewirken. Diese Methode erlaubte die Synthese von Glukose-basierten Kohlenstoffen mit einstellbarer SSA zwischen ~ 900 und ~ 2100 m2 g-1. Des Weiteren wurde die Nukleinbase Adenin als Präkursor verwendet, wodurch eine Stickstoffdotierung des finalen Kohlenstoffmaterials erreicht wurde. Die damit einhergehende Veränderung der chemischen Eigenschaften des Materials führt zu neuen Anwendungsbereichen. Stickstoffdotierte Kohlen (engl. nitrogen doped carbons: NDCs) können beispielsweise die Sauerstoffreduktion katalysieren, welche auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle abläuft. Das entwickelte Verfahren zur Einstellung der Porosität erlaubte einerseits die Synthese von Adenin-basierten NDCs mit beeindruckenden SSAs von bis zu 2900 m2 g-1 und extrem hohen TPVs von bis zu 5,19 cm3 g-1. Andererseits konnte der Einfluss der Porosität auf die Sauerstoffreduktion direkt untersucht und infolge dessen die Porosität der NDCs für diese Anwendung optimiert werden. Im zweiten Schritt wurde ein neues Verfahren entwickelt, um mittels der rotierenden Scheibenelektrode den noch nicht geklärten Mechanismus der Sauerstoffreduktion zu untersuchen, vor allem in Bezug auf edelmetallfreie Katalysatoren. Die Ergebnisse zeigten, dass der Reaktionsverlauf der Sauerstoffreduktion pH-Wert abhängig ist. Diese deutet auf verschiedene aktive Spezies in Abhängigkeit des pH-Werts hin. Im dritten Schritt wurde der gezielte Einsatz von hydrierten Salzen (Magnesium- und Calciumchlorid) als Salzphase für die ionothermale Synthese untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Hydrate einen sekundären Templatierungseffekt erlauben, was anhand der Koexistenz von flüssigen und festen Salzphasen erklärt werden konnte. Hierdurch konnten faserartige NDC-Materialien mit SSAs von bis zu 2780 m2 g-1 und TPVs von bis zu 3,86 cm3 g-1 synthetisiert werden. Des Weiteren wurde anhand dieser NDC-Materialien erfolgreich gezeigt, dass es möglich ist sauerstoffreduktionsaktive Spezies durch einfache Metallierung mit Eisenionen bei niedrigen Temperaturen einzuführen. Zusammenfassend konnte die vorliegende Arbeit die kostengünstige und nachhaltige Synthese hochporöser Materialien mit einstellbarer Porosität zeigen, welche in energierelevanten Bereichen eingesetzt werden können. Hierdurch kann die notwendige Erweiterung des Sektors der erneuerbaren Energien unterstützt werden. KW - porous materials KW - nitrogen doped carbons KW - ORR KW - oxygen reduction reaction KW - electrocatalysis KW - poröse Materialien KW - stickstoffdotierte Kohlenstoffe KW - ORR KW - Sauerstoff Reduktion KW - Elektrokatalyse KW - ionothermal synthesis KW - ionothermale Synthese Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101323 ER - TY - THES A1 - Fellinger, Tim-Patrick T1 - Hydrothermal and ionothermal carbon structures T1 - Hydrothermale und ionothermale Kohlenstoffstrukturen BT - from carbon negative materials to energy applications N2 - The needs for sustainable energy generation, but also a sustainable chemistry display the basic motivation of the current thesis. By different single investigated cases, which are all related to the element carbon, the work can be devided into two major topics. At first, the sustainable synthesis of “useful” carbon materials employing the process of hydrothermal carbonisation (HC) is described. In the second part, the synthesis of heteroatom - containing carbon materials for electrochemical and fuel cell applications employing ionic liquid precursors is presented. On base of a thorough review of the literature on hydrothermolysis and hydrothermal carbonisation of sugars in addition to the chemistry of hydroxymethylfurfural, mechanistic considerations of the formation of hydrothermal carbon are proposed. On the base of these reaction schemes, the mineral borax, is introduced as an additive for the hydrothermal carbonisation of glucose. It was found to be a highly active catalyst, resulting in decreased reaction times and increased carbon yields. The chemical impact of borax, in the following is exploited for the modification of the micro- and nanostructure of hydrothermal carbon. From the borax - mediated aggregation of those primary species, widely applicable, low density, pure hydrothermal carbon aerogels with high porosities and specific surface areas are produced. To conclude the first section of the thesis, a short series of experiments is carried out, for the purpose of demonstrating the applicability of the HC model to “real” biowaste i.e. watermelon waste as feedstock for the production of useful materials. In part two cyano - containing ionic liquids are employed as precursors for the synthesis of high - performance, heteroatom - containing carbon materials. By varying the ionic liquid precursor and the carbonisation conditions, it was possible to design highly active non - metal electrocatalyst for the reduction of oxygen. In the direct reduction of oxygen to water (like used in polymer electrolyte fuel cells), compared to commercial platinum catalysts, astonishing activities are observed. In another example the selective and very cost efficient electrochemical synthesis of hydrogen peroxide is presented. In a last example the synthesis of graphitic boron carbon nitrides from the ionic liquid 1 - Ethyl - 3 - methylimidazolium - tetracyanoborate is investigated in detail. Due to the employment of unreactive salts as a new tool to generate high surface area these materials were first time shown to be another class of non - precious metal oxygen reduction electrocatalyst. N2 - Die Notwendigkeit einer nachhaltigen Energiewirtschaft, sowie der nachhaltigen Chemie stellen die Motivation der vorgelegten Arbeit. Auf Grundlage separater Untersuchungen, die jeweils in engem Bezug zum Element Kohlenstoff stehen, kann die Arbeit in zwei Themenfelder geordnet werden. Der erste Teil behandelt die nachhaltige Herstellung nützlicher Kohlenmaterialien mit Hilfe des Verfahrens der hydrothermalen Carbonisierung. Im zweiten Teil wird die Synthese von Bor und Stickstoff angereicherten Kohlen aus ionischen Flüssigkeiten für elektrochemische Anwendungen abgehandelt. Insbesondere geht es um die Anwendung in Wasserstoff-Brennstoffzellen. Als Ergebnis einer sorgfältigen Literatur¬zusammenfassung der Bereiche Hydrothermolyse, hydrothermale Carbonisierung und Chemie des Hydroxymethylfurfurals wird ein chemisch-mechanistisches Modell zur Entstehung der Hydrothemalkohle vorgestellt. Auf der Basis dieses Modells wird ein neues Additiv zur hydrothermalen Carbonisierung von Zuckern vorgestellt. Die Verwendung des einfachen Additivs, genauer Borax, erlaubt eine wesentlich verkürzte und zu niedrigeren Temperaturen hin verschobene Prozessführung mit höheren Ausbeuten. Anhand des mechanistischen Modells wird ein Einfluss auf die Reaktion von Zuckern mit der reaktiven Kohlenvorstufe (Hydroxymethylfurfural) identifiziert. Die chemische Wirkung des Minerals Borax in der hydrothermalen Carbonisierung wird im Folgenden zur Herstellung vielfältig anwendbarer, hochporöser Kohlen mit einstellbarer Partikelgröße genutzt. Zum Abschluss des ersten Teils ist in einer Serie einfacher Experimente die Anwendbarkeit des mechanischen Modells auf die Verwendung „echter“ Biomasse in Form von Wassermelonenabfall gezeigt. Im zweiten Teil werden verschiedene cyano-haltige ionische Flüssigkeiten zur ionothermalen Synthese von Hochleistungskohlen verwendet. Durch Variation der ionischen Flüssigkeiten und Verwendung unterschiedlicher Synthesebedingungen wird die Herstellung hochaktiver, metallfreier Katalysatoren für die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff erreicht. In der direkten Reduktion von Sauerstoff zu Wasser (wie sie in Brennstoffzellen Anwendung findet) werden, verglichen zu konventionellen Platin-basierten elektrochemischen Katalysatoren, erstaunliche Aktivitäten erreicht. In einem anderen Beispiel wird die selektive Herstellung von Wasserstoffperoxid zu sehr geringen Kosten vorgestellt. Abschließend wird anhand der Verwendung der ionischen Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-tetracyanoborat eine detaillierte Betrachtung zur Herstellung von graphitischem Borcarbonitrid vorgestellt. Unter Verwendung unreaktiver Salze, als einfaches Werkzeug zur Einführung großer inneren Oberflächen wird erstmals die elektrokatalytische Aktivität eines solchen Materials in der elektrochemischen Sauerstoffreduktion gezeigt. KW - Hydrothermalkohle KW - ionische Flüssigkeiten KW - poröse Materialien KW - Elektrokatalyse KW - hydrothermal carbon KW - ionic liquids KW - porous materials KW - electrocatalysis Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57825 ER -