Die alkalische Elektrolyse (AEL) ist eine wichtige Technologie zur Produktion von grünem Wasserstoff durch die Spaltung von Wasser. In der vorliegenden Arbeit wurden unterschiedliche Methoden zur Herstellung von funktionalisierten Elektroden und deren Einflüsse auf die Aktivitäten in der AEL untersucht. Dabei wurden unteranderem Metallsubstrate in Gemischen aus unterschiedlichen Übergangsmetallionen mit metallorganischen Gerüstverbindungs-(MOF)-Linkern in einem Konvektions- und einem Mikrowellenofen erhitzt, sodass MOF-Strukturen auf den Substraten ausgebildet wurden. Durch die Anwendung von Mikrowellenstrahlung konnte eine neuartige Synthese gezeigt werden, die die Synthesezeit von mehreren Stunden auf wenige Minuten reduziert. Darüber hinaus wurde eine neuartige Synthese von MOFs auf unedlen Metallsubstraten vorgestellt, wodurch die Synthesekosten erheblich reduziert werden konnten und eine erhöhte Aktivität erreicht wurde.
Alkaline electrolysis (AEL) is an important technology for the production of green hydrogen through the splitting of water. In this study, various methods for the fabrication of functionalized electrodes and their influences on activities in AEL were investigated. Among other approaches, metal substrates were heated in mixtures of different transition metal ions with metal-organic framework (MOF) linkers in both a convection oven and a microwave oven, resulting in the formation of MOF structures on the substrates. The application of microwave radiation demonstrated a novel synthesis, reducing the synthesis time from several hours to a few minutes. Furthermore, a novel synthesis of MOFs on base metal substrates was introduced, significantly reducing synthesis costs and achieving enhanced activity.
In dieser Arbeit wurde ein Komposit aus mesoporösem Titandioxid und metallischen Au-Nanopartikeln hergestellt. Die verschiedenen Charakterisierungen zeigen ein phasenreines Trägermaterial (Anatas) mit einem Porenvolumen von etwa 0.4 cm³/g, welches mit 8 nm im mittleren Durchmesser großen Gold-Nanopartikeln beladen ist. Diese Nanopartikel zeigen ein Absorptionsmaximum im Bereich von 530 nm. Durch Beleuchtung mit sichtbarem Licht kann dieses Komposit 5.7 mmol/(h·g) H2 produzieren. In der Gasphasen CO2-Photoreduktion kann unter Beleuchtung mit einer 200W Hg/Xe-Lampe bis zu 250 ppm/(h·gcat) CO and 140 ppm/(h·gcat) CH4 detektiert werden. Dabei werden ebenfalls große Mengen an Wasserstoff für alle Proben als Produkt identifiziert. In der reduktiven Dimerisierung von Benzylbromiden mit sichtbarem Licht können Ausbeuten von 90% bei Umsätzen von bis zu 99% (4-Methylbenzylbromid) nach einer Reaktionszeit von 19.5 h erreicht werden.
This work shows the synthesis of a composite of metallic Au nanoparticles on top of a mesoporous titanium dioxide. The various characterization techniques show phase pure highly crystalline anatase titanium dioxide with a pore volume of around 0.4 cm³/g decorated with 8 nm Au nanoparticles which exhibit an absorption maximum of around 530 nm. These composites were tested for different types of reactions. Upon illumination with visible light the Au metallic nanoparticles modified photocatalyst continuously produced 5.7 mmol/(h·g) H2 with Pd nanoparticles as cocatalyst. In high-purity gas-phase CO2-photoreduction upon illumination with a 200W Hg/Xe-lamp up to 250 ppm/(h·gcat) of CO and 140 ppm/(h·gcat) of CH4 were detected. High amounts of hydrogen were identified for all tested samples. In the reductive dimerization of benzyl bromides with visible light, yields of 90% with a conversion of 99% (for 4-Methylbenzyl bromide) was obtained after 19.5 h reaction time.
Verschiedene Biopolymere und Kunststoffe werden mittels hydrothermaler Carbonisierung (HTC) in HTC-Kohlen umgesetzt. Für die Herstellung poröser Kohlen werden sowohl während als auch nach der HTC verschiedene Modifizierungen untersucht. Unter anderem werden die Salze Bariumiodid und Diammoniumhydrogenphosphat sowie die Additive Melamin und Harnstoff eingesetzt. Für die Darstellung aktivierter Kohlen wird sowohl physikalische als auch chemische Aktivierung angewandt. Um eine bessere Wertschöpfung zu ermöglichen, wird ebenfalls die Verwertung des gebildeten Prozesswassers untersucht. Hier liegt der Fokus zum einen auf der Anreicherung der Plattformchemikalie 5-Hydroxymethylfurfural zum anderen auf dem Abbau der organischen Verbindungen mit Hilfe der Mikroalge Chlorella vulgaris. Des Weiteren wird die Umsetzung von Polyurethan unter hydrothermalen Bedingungen untersucht. Hintergrund ist hierbei das Recycling der Ausgangsstoffe für die Polyurethan-Synthese.
Different biopolymers and plastics are converted into chars by hydrothermal carbonization (HTC). To produce porous chars various modifications are investigated both during and after HTC. Among others, the salts barium iodide and diammonium hydrogen phosphate as well as the additives melamine and urea are used. Both physical and chemical activation are used to produce activated carbons. To enable better value creation, the utilization of the formed process water is also being investigated. The focus here is on the one hand on the enrichment of the platform chemical 5-hydroxymethylfurfural and on the other hand on the degradation of organic compounds with the help of the microalgae Chlorella vulgaris. The conversion of polyurethane under hydrothermal conditions is also being investigated. The background here is the recycling of the starting materials for polyurethane synthesis.
In Bezug auf nachhaltige Energien sind fortschrittliche Energiespeichertechnologien entscheidend. Dabei gewinnen alternative Batterie-Elektrolyte für Sicherheit und Umwelt an Bedeutung. Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) hilft, solche Materialien zu verstehen und zu optimieren. Die Festkörper-NMR gibt Einblicke in Strukturen und Ionen-Dynamik. Diese Arbeit verbindet Grundlagen der Materialwissenschaft mit praktischer Energiespeicherung durch Festkörper-NMR in nachhaltiger Energieforschung. Der erste Teil fokussiert auf Succinonitril-basierte Materialien mit Polymeren zur Erhöhung der Li-Ionen-Leitfähigkeit. Weitere Experimente erfolgen unter realen Batteriebedingungen. Der zweite Teil erforscht Na-β"-Aluminat, mit dem Ziel Betriebstemperaturen zu senken. Die Analyse umfasst die Identifizierung von Na-Spezies, den 3d-Übergangsmetalleinfluss und den Austausch von Na- zu Li-Ionen.
In the field of sustainable energy, advanced energy storage is crucial. Alternative electrolytes gain interest for safety and environmental benefits. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy helps with understanding and optimising materials. Solid-state NMR delves into structures and ion dynamics, providing insights into interactions and ion parameters. This work aims to bridge fundamental materials science and practical energy storage, utilising solid-state NMR within sustainable energy research. The first part focuses on succinonitrile-based materials, enhancing Li-ion conductivity with polymers. Investigations assess polymer impact and Li-concentrations, revealing varying interactions and ion environments. The most promising material is tested in realistic battery cell conditions. The second part explores Na-β"-alumina electrolytes, aiming to lower operating temperatures. Analysis includes identifying Na-species, characterising 3d transition metal influence, and investigating the Na to Li-ion exchange.
Electrochemical Society Journal of the Electrochemical Society Bristol : IOP Publishing, 1948 170(2023), Artikel-ID 084511, Seite 1-13 Online-Ressource
