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The nanoscale combination of a conductive carbon and a carbon-based material with abundant heteroatoms for battery electrodes is a method to overcome the limitation that the latter has high affinity to alkali metal ions but low electronic conductivity. The synthetic protocol and the individual ratios and structures are important aspects influencing the properties of such multifunctional compounds. Their interplay is, herein, investigated by infiltration of a porous ZnO-templated carbon (ZTC) with nitrogen-rich carbon obtained by condensation of hexaazatriphenylene-hexacarbonitrile (HAT-CN) at 550-1000 degrees C. The density of lithiophilic sites can be controlled by HAT-CN content and condensation temperature. Lithium storage properties are significantly improved in comparison with those of the individual compounds and their physical mixtures. Depending on the uniformity of the formed composite, loading ratio and condensation temperature have different influence. Most stable operation at high capacity per used monomer is achieved with a slowly dried composite with an HAT-CN:ZTC mass ratio of 4:1, condensed at 550 degrees C, providing more than 400 mAh g(-1) discharge capacity at 0.1 A g(-1) and a capacity retention of 72% after 100 cycles of operation at 0.5 A g(-1) due to the homogeneity of the composite and high content of lithiophilic sites.
SpiderMAEn
(2019)
A growing energy demand requires new and preferably renewable energy sources. The infinite availability of solar radiation makes its conversion into storable and transportable energy forms attractive for research as well as for the industry. One promising example of a transportable fuel is hydrogen (H-2), making research into eco-friendly hydrogen production meaningful. Here, a hybrid system was developed using newly designed recombinant spider silk protein variants as a template for mineralization with inorganic titanium dioxide and gold. These bioinspired organic/inorganic hybrid materials allow for hydrogen production upon light irradiation. To begin with, recombinant spider silk proteins bearing titanium dioxide and gold-binding moieties were created and processed into structured films. These films were modified with gold and titanium dioxide in order to produce a photocatalyst. Subsequent testing revealed hydrogen production as a result of light-induced hydrolysis of water. Therefore, the novel setup presented here provides access to a new principle of generating advanced hybrid materials for sustainable hydrogen production and depicts a promising platform for further studies on photocatalytic production of hydrogen, the most promising future fuel.
Cellulose/calcium phosphate hybrid materials were synthesized via an ionic liquid-assisted route. Scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction, infrared spectroscopy, and thermogravimetric analysis/differential thermal analysis show that, depending on the reaction conditions, cellulose/hydroxyapatite, cellulose/ chlorapatite, or cellulose/monetite composites form. Preliminary studies with MC3T3-E1 pre-osteoblasts show that the cells proliferate on the hybrid materials suggesting that the ionic liquid-based process yields materials that are potentially useful as scaffolds for regenerative therapies.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung mesoporöser monolithischer Silica und deren Hybridmaterialien mit Ionischen Flüssigkeiten (ILs, ionic liquids). Zur Synthese der Silicaproben wurde ein Sol-Gel-Verfahren, ausgehend von einer Präkursorverbindung wie Tetramethylorthosilicat angewendet. Der Katalysator mit der geringsten Basizität führte zum Material mit der kleinsten Porengröße und der größten spezifischen Oberfläche. Eine Kombination von porösen Silica mit ILs führt zur Materialklasse der Silica-Ionogele. Diese Hybridmaterialien verbinden die Eigenschaften eines porösen Festkörpers mit denen einer IL (Leitfähigkeit, weites elektrochemisches Fenster, gute thermische Stabilität) und bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten z.B. in der Katalyse- Solar- und Sensortechnik. Um diese Materialien für ihren Verwendungszweck zu optimieren, bedarf es deren umfassenden Charakterisierung. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit das thermische Verhalten von Silica-Ionogelen unter Verwendung verschiedener 1-Ethyl-3-methylimidazolium [Emim]-basierter ILs untersucht. Interessanterweise zeigen die untersuchten ILs deutliche Änderungen in ihrem thermischen Verhalten, wenn diese in porösen Materialien eingeschlossen werden (Confinement). Während sich die untersuchten reinen ILs durch klar unterscheidbare Phasenübergänge auszeichnen, konnten für die entsprechenden Hybridmaterialien deutlich schwächer ausgeprägte Übergänge beobachtet werden. Einzelne Phasenübergänge wurden unterdrückt (Glas- und Kristallisationsübergänge), während z.B. Schmelzübergänge in verbreiterten Temperaturbereichen, zum Teil als einzeln getrennte Schmelzpeaks beobachtet wurden. Diese Untersuchungen belegen deutliche Eigenschaftsänderungen der ILs in eingeschränkten Geometrien. Über Festkörper-NMR-Spektroskopie konnte außerdem gezeigt werden, daß die ILs in den mesoporösen Silicamaterialien eine unerwartet hohe Mobilität aufweisen. Die ILs können als quasi-flüssig bezeichnet werden und zeigen die nach bestem Wissen höchste Mobilität, die bisher für vergleichbare Hybridmaterialien beobachtet wurde. Durch Verwendung von funktionalisierten Präkursoren, sowie der Wahl der Reaktionsbedingungen, kann die Oberfläche der Silicamaterialien chemisch funktionalisiert werden und damit die Materialeigenschaften in der gewünschten Weise beeinflußt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluß der Oberflächenfunktionalität auf das thermische Verhalten hin untersucht. Dazu wurden zwei verschiedene Möglichkeiten der Funktionalisierung angewendet und miteinander verglichen. Bei der in-situ-Funktionalisierung wird die chemische Funktionalität während der Sol-Gel-Synthese über ein entsprechend funktionalisiertes Silan mit in das Silicamaterial einkondensiert. Eine postsynthetische Funktionalisierung erfolgt durch Reaktion der Endgruppen eines Silicamaterials mit geeigneten Reaktionspartnern. Um den Einfluß der physikalischen Eigenschaften der Probe auf die Reaktion zu untersuchen, wurden pulverisierte und monolithische Silicamaterialien miteinander verglichen. Im letzten Teil der Arbeit wurde die Vielfältigkeit, mit der Silicamaterialien postsynthetisch funktionalisiert werden können demonstriert. Durch die Kenntnis von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen können die Eigenschaften von Silica-Ionogelen durch die geeignete Kombination von fester und mobiler Phase in der gewünschten Weise verändert werden. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Untersuchung dieser Beziehungen leisten, um das Potential dieser interessanten Materialien für Anwendungen nutzen zu können.
This study is a first-hand report of the immobilization of Nauclea diderrichii seed waste biomass (ND) (an agro-waste) with eco-friendly mesoporous silica (MS) and graphene oxide-MS (GO+MS ) nanoparticles, producing two new hybrid materials namely: MND adsorbent for agro-waste modified with MS and GND adsorbent for agro-waste modified with GO+MS nanoparticles showed improved surface area, pore size and pore volume over those of the agro-waste. The abstractive potential of the new hybrid materials was explored for uptake of Cr(III) and Pb(II) ions. Analysis of experimental data from these new hybrid materials showed increased initial sorption rate of Cr(III) and Pb(II) ions uptake. The amounts of Cr(III) and Pb(II) ions adsorbed by MND and GND adsorbents were greater than those of ND. Modification of N. diderrichii seed waste significantly improved its rate of adsorption and diffusion coefficient for Cr(III) and Pb(II) more than its adsorption capacity. The rate of adsorption of the heavy metal ions was higher with GO+MS nanoparticles than for other adsorbents. Kinetic data were found to fit well the pseudo-second-order and the diffusion-chemisorption kinetic models suggesting that the adsorption of Cr(III) and Pb(II) onto these adsorbents is mainly through chemisorption mechanism. Analysis of kinetic data with the homogeneous particle diffusion kinetic model suggests that particle diffusion (diffusion of ions through the adsorbent) is the rate-limiting step for the adsorption process.
This work presents a fabrication of thermoresponsive plasmonic core-satellite nanoassemblies. The structure has a silica nanoparticle core surrounded by gold nanoparticle satellites using thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) chains as scaffolds. The thiol-terminated PNIPAM shell is densely grafted on the silica core via surface-initiated reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization and used to anchor numerous gold nanoparticle satellites with a tunable stoichiometry. Below and above lower critical solution temperature, the chain conformation of PNIPAM reversibly changes between swollen and shrunken state. The reversible change of the polymer size varies the refractive index of the local medium surrounding the satellites and the distance between them. The two effects together lead to the thermoresponsive plasmonic properties of the nanoassemblies. Under different satellite densities, two distinctive plasmonic features appear.