03 Fakultät Chemie
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Item Open Access Synthese und Charakterisierung teilfluorierter Poly(aryl)-Ionomere als Polymerelektrolytmembranen für Brennstoffzellen und ESR-spektroskopische Untersuchung der radikalinduzierten Degradation von Modellverbindungen(2008) Schönberger, Frank; Roduner, Emil (Prof. Dr.)Im ersten Teil dieser Arbeit werden zunächst verschiedene Strategien zum Aufbau sulfonierter teilfluorierter Poly(aryl)e entwickelt und synthetisch umgesetzt. Konzeptionell liegt dabei die Hypothese zugrunde, dass sich teilfluorierte Poly(aryl)-Ionomere gegenüber nichtfluorierten durch eine erhöhte Acidität auszeichnen. Außerdem weisen sie eine höhere Bindungsdissoziationsenergie sowohl der C-F-Bindungen als auch der benachbarten C-H-Bindungen auf, womit ein Gewinn an radikalischer und somit chemischer und thermischer Stabilität einhergeht. Um den Einfluss der chemischen Struktur der jeweiligen (teilfluorierten) Monomerbausteine zu untersuchen, werden zunächst homo-Polymere mit verschiedenen Struktureinheiten (mit aromatischen C-F-Bindungen, C(CF3)2-verbrückten und CF3-substitutierten Phenylenringen) durch Polykondensation synthetisiert und charakterisiert (Elementaranalyse, NMR-Spektroskopie, Gelpermeationschromatographie). Zur gezielten Synthese der Monomere werden bekannte organische Reaktionen, wie die Balz-Schiemann-Reaktion, Suzuki-Reaktion und die Ullmann-Biarylsynthese, angewandt. Nach Sulfonierung der homo-Polymere werden (ionisch-vernetzte) Membranen hergestellt und hinsichtlich Eignung als Polymerelektrolytmembran für Brennstoffzellen charakterisiert (Ionenaustauscherkapazität, Protonenleitfähigkeit, thermische und chemische Stabilität, Wasseraufnahme, Längenänderung). Neben der chemischen Natur der Monomere ist auch deren Anordnung im Polymer bzw. Ionomer für die Eigenschaften der hergestellten Membranen wichtig. Aus diesem Grunde werden mikrophasenseparierte Block-co-Ionomere, ausgehend von hydrophilen (sulfonierten) und hydrophoben (teilfluorierten) telechelen Makromonomeren, synthetisiert und charakterisiert. Dabei werden sowohl der Einfluss der jeweiligen Blocklänge als auch der chemischen Natur der eingesetzten Monomere auf die Membraneigenschaften vergleichend untersucht. Auf der Grundlage der in diesem Teil der Arbeit gewonnen Erkenntnisse werden die Vor- und Nachteile teilfluorierter Ionomermembranen analysiert und diskutiert. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der ESR-spektroskopischen Untersuchung der radikalinduzierten Degradation von Modellverbindungen, denen Struktureinheiten einiger im ersten Teil der Arbeit hergestellten Poly(aryl)-Ionomere entsprechen. Diese Modellverbindungen werden in einer Durchflusszelle Hydroxyl- und Hydroperoxylradikalen ausgesetzt, welche direkt im Hohlraumresonator eines ESR-Spektrometers durch Photolyse von Wasserstoffperoxid erzeugt werden. Mit diesem Aufbau können verschiedene Parameter (wie die Hydroxylradikal- und Monomerkonzentration, die Durchflussrate und der pH-Wert) gezielt variiert werden und so deren Einflüsse in Bezug auf die Produktbildung der aromatischen Modellverbindungen mit den Hydroxylradikalen abgeschätzt werden. Aus diesen Untersuchungen lassen sich Rückschlüsse auf mögliche Radikalreaktionen des Poly(aryl)-Ionomers ziehen und damit Aussagen in Bezug auf zu vermeidende strukturelle Merkmale (z.B. Art der Endgruppen der Ionomere) und zu vermeidende Bedingungen (z.B. pH-Wertschwankungen in der Membran) treffen.Item Open Access Using spin polarised positive muons for studying guest molecule partitioning in soft matter structures(2007) Martyniak-Stronczek, Aleksandra; Roduner, Emil (Prof. Dr.)The intention of this thesis is to explore the effect of guest molecules on the structure of diverse soft matter architectures, and thus the stability of the entire systems. More specifically, we focus on the determination of the factors that affect partitioning of fragrance components in emulsions and microemulsions, including various lyotropic liquid crystalline mesophases of cationic and anionic surfactants. It is well known that the most common fragrance materials are created based on the mixtures of aliphatic alcohols or/and phenyl alcohols. Until recently, however, qualitative and quantitative studies of the guest molecule partitioning into the surfactant membrane have been performed mostly for short, medium and long chain aliphatic alcohols. In consequence, in the literature arose a gap of information on the distribution of alcohols containing an aromatic group into colloidal surfactant dispersions. Hence, to fill at least partly this gap, the probes used in this work are muoniated cyclohexadienyl radicals derived from five different phenyl alcohols: 2-Phenylethan-1-ol (n = 2), 3-Phenylpropan-1-ol (n = 3), 4-Phenylbutan-1-ol (n = 4), 5-Phenylpentan-1-ol (n = 5) und Para-propyl-2-phenylethan-1-ol (n = 2 + 3). The variation of their hydrocarbon chain length (distinguished by the number, n, of CH2 groups in their hydrocarbon chain) changes their hydrophobicity, and this is expected to affect their partitioning between the aqueous and the hydrocarbon moiety of the surfactant dispersion, which is the main focus of the present study. Furthermore, a detailed understanding of solvation thermodynamic properties and reorientational dynamics of the chosen species, including Heisenberg spin exchange in order to confirm the interpretation of particular aspects, is also presented here. Common methods for the investigation of a variety of soft matter structures, such as spherical micelles, vesicles, lamellar, rectangular, hexagonal and cubic phases or bi-continuous sponge type structures include light, X-ray and neutron scattering, and measurements of calorimetric and rheological properties. Nuclear magnetic resonance is a powerful tool for the study of the dynamics of specific molecules or groups, or also of the entire structures. For the same purpose but with higher sensitivity, fluorescent dye molecules or spin labels are introduced as guests or bound to the amphiphile in specific positions, permitting optical spectroscopy (UV-Vis) or electron spin resonance studies, respectively. Technical applications may require other types of guest molecules to be introduced into these structures. Prominent examples are drug molecules for their delivery to specific sites in the body, or skin care, dyes and fragrance molecules in day care products or additives to food. They are often needed in low concentrations (because of the limited solubility or high toxicity, etc.) that makes it difficult to monitor them with conventional methods at a molecular level. For these reasons we used here a special experimental technique which permits highly sensitive spectroscopy, the Avoided Level Crossing Muon Spin Resonance (ALC-mSR). ALC-mSR relies on a unique property of the positive muon, i.e. where it becomes attached to a C=C double bond or phenyl group via addition of the muonium atom (Mu), which can be regarded as a light hydrogen isotope. Mu addition to unsaturated molecules produces radicals that contain the muon as a fully polarized spin label which reveals information about the structure, kinetics, distribution and solvation thermodynamics of such radicals even under extremely dilute conditions in different colloidal dispersions. Moreover, the high spin polarisation and the single particle counting technique make the muon an exceptionally sensitive probe. It has been already shown that ALC-mSR has so far found applications for the investigation of muonium-substituted free radicals in various environments, for example in the gas phase, in polymers, in liquid crystals, in zeolites, and also for Mu in semiconductors and for muons in metals. This time, however, to prove that this method is also suitable to apply in more complex (multicomponent) systems than described above, the ALC-mSR serves here as a tool for sensitive monitoring of the local environment and reorientational dynamics of muoniated radicals (kept at very low concentrations) in ternary and quaternary surfactant mixtures. Thus, it is a successive challenge of these studies to show that the muoniated radical can be treated as a spectator of the changes in the properties of diverse surfactant systems at a molecular level.Item Open Access In-situ radiation grafting of polymer films and degradation studies of monomers for applications in fuel cell membranes(2007) Mitov, Svetlin; Roduner, Emil (Prof. Dr.)The present work consists of three parts which deal with the optimization of the properties of polymers finding application as proton exchange membranes in PEMFCs. The focus is the oxidative and photochemical stability of non-fluorinated polymer membranes, as well as the radiation-induced grafting of commercially available fluoropolymer films. The use of the ESR technique is common for the first two parts of the dissertation. The third part comprises the results and discussions of DFT calculations for non-fluorinated and fluorinated fragments. In order to predict hydroxyl radical initiated degradation of new proton conducting polymer membranes based on sulfonated polyetherketones and polysulfones, five non-fluorinated aromatics (4,4'-sulfonyldiphenol, bisphenol A, 4,4'-diphenol, 4,'-dihydroxybenzophenone and sulfonated 4,4'-dichlorodiphenylsulfone) are chosen as model compounds for ESR experiments, aiming at the identification of products of HO· radical reactions with these monomers. Direct photolysis of aqueous solutions of H2O2 was chosen as the source of HO· radicals. In order to distinguish HO· radical attack from direct photolysis of the monomers, experiments were carried out in the presence and absence of H2O2. In the second part of the present work three different electron beam irradiated fluoropolymers - poly(ethylene-alt-tetrafluoroethylene), poly(tetrafluoroethylene-co-hexafluoropropylene) and poly(vinylidenefluoride), as well as their grafting reactions with styrene, 25% styrene in benzene and 25% styrene in ethanol are investigated by means of ESR. Firstly, it was possible to compare the radiation chemistry of the three fluoropolymers that have been irradiated using the same irradiation source, doses and atmospheres. Secondly, it was possible to compare the decay of radicals in the different fluoropolymers by carrying out in-situ ESR measurements in a similar systematic manner during the radiation grafting process, aiming at an understanding of the influence of the irradiation atmosphere and of the diluent. In addition, in the radiation grafting of polymer films with styrene for fuel cell applications it is important to control whether the polystyrene chain is grafted onto a peroxy or a carbon centered radical. Thus thermodynamic properties of small alkyl and alkyl-peroxy radicals are studied to model primary, secondary and tertiary radicals in non-fluorinated and perfluorinated polymers and a comparative DFT study is conducted. Furthermore, it is shown based on DFT calculations that pronounced spin polarization effects lead to unexpected behavior of the hyperfine anisotropy. This is demonstrated by comparison of the parameters of CF3·CF2, both in its fully optimized non-planar and in a forced planar conformation, with those of the analogous non-fluorinated and essentially planar CH3·CH2 radical. A B3LYP or UB3LYP hybrid functional and 6-311+G** or EPR-II basis sets are used, and all calculations are performed with the Gaussian package.Item Open Access Neutronenbeugungsuntersuchungen an fluiden Systemen(1996) Pfleiderer, TillIm Rahmen dieser Arbeit wurden Hochdruckneutronenbeugungsexperimente an einer fluiden Mischung der deuterierten Alkane Methan (67 Molprozent) und Ethan (33.3 Molprozent) bei einer Temperatur von 370 K ausgewertet. Nach Korrekturen auf Mehrfachstreuung, Absorption sowie inelastischen Effekten wurden die Strukturfaktoren dieser Mischung bei sechs verschieden ueberkritischen thermodynamischen Zustaenden ermittelt. Diese Strukturfaktoren wurden in ihre intra- und intermolekularen Anteile separiert, wobei die Molekuelstrukturen von Methan und Ethan bestimmt werden konnten. Abschliessend wurden die intermolekularen Anteile der Strukturfaktoren mit Hilfe einer Fouriertransformation in die intermolekularen Anteile der Summe der gewichteten Atompaarkorrelationsfunktionen ueberfuehrt.Item Open Access Untersuchungen fluider Systeme mit Computersimulationen und Neutronenbeugungsexperimenten(2004) Kreitmeir, Markus; Bertagnolli, Helmut (Prof. Dr.)Die vorliegende Arbeit zeigt, dass das Zusammenspiel von Neutronenbeugungsexperimenten und Computersimulationen sich als äußerst produktiv hinsichtlich der Untersuchung der Struktur von Fluiden erweist. Durch die durchgeführten Hochdruckneutronenbeugungsexperimente wurden Strukturinformationen für einen großen Bereich thermodynamischer Zustände zugänglich. Die experimentellen Daten sind mit Hilfe von Computersimulationen genauer analysiert worden. Zu früheren Hochdruckmessungen an flüssigem und überkritischem Fluorwasserstoff wurden ab initio Molekulardynamik Simulationen nach der Methode von Car und Parrinello durchgeführt. Diese beschreiben die Änderung der Struktur des Systems sehr gut. Wegen des großen rechnerischen Aufwands wurden diese Simulationen am HLRS, dem Stuttgarter Höchstleistungsrechenzentrum, durchgeführt. Es wurden außerdem die vom Fluorwasserstoff gebildeten Assoziate analysiert. Es ließ sich zeigen, daß die Größe der Assoziate mit zunehmender Temperatur und abnehmender Dichte abnimmt. Aus den ab initio Simulationen konnten darüber hinaus die Änderung der Bindungslänge sowie des Dipolmoments des Fluorwasserstoffmoleküls mit Temperatur und Dichte hervorragend beschrieben werden. Weiterhin konnten dynamische Größen bestimmt werden. Die gewonnenen Daten sind in sehr guter Übereinstimmung mit experimentellen Werten, soweit diese existieren. Für diese Zustände von Fluorwasserstoff wurden auch force field Simulationen mit zwei bekannten Paarpotentialen gemacht. Außerdem wurde in dieser Arbeit ein neues Potential vorgestellt, das die Struktur des Fluorwasserstoffs am besten beschreibt. Nur bei einem literaturbekannten Paarpotential waren Aussagen über Bindungslänge und Dipolmoment möglich, die Resultate waren aber – im Gegensatz zu den Car-Parrinello Simulationen – nicht befriedigend. Bei Aufenthalten am Forschungsreaktor am Institut Laue-Langevin in Grenoble (F) und der Spallationsquelle ISIS nahe Oxford (GB) wurden Neutronenbeugungsexperimente an Fluorwasserstoff in der Gasphase sowie an überkritischem Methan durchgeführt. Die experimentellen Daten gasförmigen Fluorwasserstoffs weisen eine starke Abhängigkeit der Nahordnung mit der Dichte des Systems auf. Zu diesen Zuständen wurden wiederum force field Simulationen durchgeführt. Die experimentellen Daten konnten unter anderem mit Hilfe des neu entwickelten Potentials erklärt werden. Es konnte gezeigt werden, daß auch die Gasphase aus kurzen Fluorwasserstoffketten besteht; es existieren aber auch oligomere Ringe. Die Neutronenbeugungsexperimente an Deuteromethan und Methan vervollständigen eine Reihe von Experimenten, mit der die Nahordnung des Systems eingehender untersucht werden sollte. Weiterhin wurden bereits ermittelte Streudaten einer CD4/CH4 Mischung ausgewertet. Die Daten des reinen Methans erwiesen sich wegen der hohen inkohärenten Streuung des Wasserstoffs als nicht verwertbar. Genauere Strukturinformationen des Systems konnten mit Hilfe von EPSR Simulationen erhalten werden. Diese auf der Monte-Carlo Methode basierenden Simulationen führen eine Verbesserung gegebener Paarpotentiale mit Hilfe experimenteller Streudaten durch. Es konnte gezeigt werden, daß Systeme mit einfachen intermolekularen Wechselwirkungen durch Paarpotentiale ausreichend gut beschrieben werden können. Bei komplexeren intermolekularen Wechselwirkungen versagen diese aber im allgemeinen. Die Struktur fluiden Fluorwasserstoffs wird durch ab initio Simulationen deutlich besser wiedergegeben, als es Paarpotentiale vermögen. Außerdem besitzen die Car-Parrinello Simulationen die Fähigkeit, umfassende Aussagen über die Struktur und die Dynamik von Systemen zu machen. Aufgrund von Beschränkungen, die klassischen Modellen auferlegt werden – wie z.B. ein fester Bindungsabstand -, ist dies bei force field Simulationen nicht unbedingt möglich.Item Open Access Polymer electrolyte membrane degradation and oxygen reduction in fuel cells : an EPR and DFT investigation(2004) Panchenko, Alexander; Roduner, Emil (Prof. Dr.)The present work deals with the investigation and characterisation of different processes which take place in a working PEMFC. The SQUID technique was used to investigate magnetic properties of the electrode material. The EPR was the main approach to investigate the radical formation in a working fuel cell. The second part of the thesis comprises the results and discussion of the quantum chemical calculations of the O2 and its reduction intermediates adsorption on low index Pt surfaces. The work aims at an understanding of the pathways of oxidative degradation of membranes, and it wants to provide guidance in the choice of favorable fuel cell operating conditions and in the preparation of alternative membranes with improved durability. For this a miniature fuel cell which can operate in a resonator of an X-band EPR spectrometer was constructed. The concentration of free radicals produced in a fuel cell is extremely low and their lifetime is relatively short, so that it is not possible with conventional methods to observe them directly. We therefore employed the spin trapping technique, using the spin trap molecules POBN, DMPO, DBNBS, and DEPMPO. Radical formation was studied separately at the anode and cathode side of the in situ EPR fuel cell. At the anode side of the cell formal addition of hydrogen atoms to the spin trap molecules was observed. No traces of membrane degradation were detected at the anode side of the fuel cell for any membrane used. At the cathode side we were able to demonstrate the ·OH radical formation during the oxygen reduction by introducing the DMPO spin trap water solution into the cell equipped with the Nafion-115 membrane. The formed ·OH radicals manifested their destructive nature when F-free membranes were used instead of a very stable Nafion membrane. They attacked the membrane and formed different organic radicals on the membrane surface. The formation of radicals was confirmed by the addition of a spin trap water solution at the cathode side. The spin trap molecules react with the radicals under formation of the stable spin trap adducts. In the theoretical part of the manuscript we investigated the energetics of the oxygen reduction reaction intermediates on Pt surfaces in the conditions relevant for the fuel cells. The presence of applied electric fields and coadsorption of water were considered. The adsorption properties of the oxygen molecule and intermediates of the ORR (Oxygen Reduction Reaction) on the (111), (100), and (110) platinum surfaces were calculated in the DFT-GGA framework (PW91-GGA/PAW) using periodic boundary conditions and a slab model of the Pt surface. The electric field dependence of the adsorbate properties was studied using a cluster model of the adsorption system. The B3LYP functional and a 6-311G** basis set for the O and H atoms and a LANL2DZ basis set for the Pt atoms were employed in this case. For all adsorbed species the applied electric field is predicted to have a strong impact and to cause considerable changes in the bond lengths, charge transfer characteristics and vibrational frequencies. The presence of coadsorbed water on the catalyst surfaces was modeled by the coadsorption of two water molecules together with the O2 and ·OH species. The presence of water leads to the formation of hydrogen bonds and strengthens the adsorption significantly.Item Open Access Röntgenabsorptionsspektroskopische Untersuchungen an katalytisch aktiven Metallkomplexen und nanostrukturierten anorganisch-organischen Hybridmaterialien(2003) Feth, Martin Philipp; Bertagnolli, Helmut (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit wurden Fragestellungen aus dem Bereich der organischen Katalyse-Chemie und materialwissenschaftliche Aspekte der Polymer- und Sol-Gel-Chemie mit Hilfe verschiedener spektroskopischer und analytischer Verfahren bearbeitet. Der Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchungen lag hierbei auf dem Gebiet der Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) mittels Synchrotronstrahlung. Die XAS-Messungen wurden an Elektronen- bzw. Positronen-Speicherringen im In- (Hamburger Synchrotronstrahlungslabor in Hamburg, Berliner Elektronenspeicherring - Gesellschaft für Synchrotronstrahlung m.b.H. in Berlin) und Ausland (Stanford Synchrotron Radiation Laboratory in Stanford, USA) durchgeführt. Die Messungen am neueingerichteten Strahlrohr KMC-2 des Berliner Synchrotrons BESSY II stellen hierbei die ersten XAS-Daten einer Nutzergruppe an diesem Meßplatz dar. Testmessungen zeigten, daß sich dieses Strahlrohr nicht nur durch seine besonders gute Energieauflösung, welche durch den Einsatz von Silizium-Germanium-Gradientenkristallen (SiGe(220)) im Monochromator erreicht wird, auszeichnet, sondern daß auch Fluoreszenz- und µ-XANES-Untersuchungen problemlos möglich sind. Für die hiesige Arbeitsgruppe bedeutet der Meßplatz KMC-2 eine neue Möglichkeit für XAS-Messungen im Röntgenbereich zwischen 4.0 bis 15.0 keV. Im Themenbereich der organischen Katalyse wurden metallorganische Komplexe der Elemente Mangan, Nickel und Kupfer mittels FT-IR-, FT-Raman-, UV/Vis-, EXAFS- und XANES-Spektroskopie untersucht, welche sowohl in der Olefin- bzw. Olefin/CO-Co-polymerisation als auch der asymmetrischen Synthese (Jacobsen-Katsuki-Epoxidierung von Olefinen, enantioselektive Diels-Alder-Reaktionen) ihre Anwendung finden. Mit Hilfe von in situ-XANES- und EXAFS-Messungen wurden die in den Reaktionslösungen auftretenden katalytisch aktiven Spezies identifiziert und die Nahordnung wie auch der Oxidationszustand der Metallatome in diesen Verbindungen aufgeklärt. Ergebnisse aus der Infrarot- und Raman-Spektroskopie untermauerten die Resultate der Röntgenabsorptionsspektroskopie. Zeitaufgelöst durchgeführte XANES-Untersuchungen lieferten kinetische Daten zum Ligandenaustauschverhalten der Metallkomplexe und ergänzen damit die Werte aus den ebenfalls durchgeführten UV/Vis-spektroskopischen Messungen. In Verbindung mit den anderen spektroskopischen Methoden konnten aus den XAS-Ergebnissen Reaktionsmechanismen abgeleitet werden, deren Kenntnis für den erfolgreichen Einsatz dieser Komplexe als Katalysatoren hilfreich sein könnte. Ein weiteres Thema dieser Arbeit waren die Untersuchungen an nanostrukturierten anorganisch-organischen Hybridmaterialien und deren Ausgangsstoffen aus dem Sol-Gel-Prozeß. Anorganisch-organischen Hybridmaterialien sind Reaktionsprodukte der Polymerisation (freie radikalische Polymerisation) von Polyoxometallaten mit organischen Monomeren (Methacrylsäure, Methylmethacrylat, Styrol). Diese Hybridpolymere verknüpfen die Materialeigenschaften von anorganischen Verbindung (z.B. thermische und mechanische Stabilität) mit denen organischer Kunststoffe (leichte Verformbarkeit etc.). In der vorliegenden Arbeit wurde der Reaktionsmechanismus zur Sol-Gel-Herstellung von Polyoxometallaten näher untersucht. Exemplarisch geschah dies für zwei Zirkonium(IV)-Oxo-Cluster. Ein schon existierendes Reaktionsschema wurde mittels Raman-, EXAFS- und XANES-Spektroskopie sowie Hochdruckdruckflüssigchromatographie (HPLC) auf seine Richtigkeit hin überprüft. Wichtige Erkenntnisse über die Geschwindigkeit einzelner Reaktionsschritte konnten aus diesen Untersuchungen gezogen werden. In einem weiteren Schritt wurde die strukturelle Stabilität der Cluster in unterschiedlichen Lösungsmitteln mittels XAS-Spektroskopie überprüft. Anschließend an die Studien zur Herstellung der Polyoxometallate wurden die eigentlichen Hybridpolymere, welche röntgenamorph sind, strukturell untersucht. Es wurden EXAFS-Messungen an Hybridpolymeren durchgeführt, die Polyoxometallate der Elemente Titan, Zirkonium bzw. Hafnium enthalten. Ziel dieser Messung war es festzustellen, ob es möglich ist Oxo-Cluster in Polymere einzubauen, ohne daß die Struktur der Cluster verloren geht. Weiterhin wurde der Einfluß studiert, den die Art des Monomers und das eingesetzte Verhältnis der Ausgangsverbindungen auf die strukturelle Stabilität des Oxo-Clusters im Polymer ausübt. Es zeigte sich, daß die Struktur der Oxo-Cluster, unabhängig von der Art des eingesetzten Monomers, bei Cluster-Monomer-Verhältnissen von 1:50 im Polymer erhalten bleibt. Gemischtmetallische Titan-Zirkonium-Oxo-Cluster sind bis zu Verhältnissen von 1:100 strukturell stabil, wohingegen bei reinen Zirkonium- und Hafnium-Oxo-Clustern ab einem molaren Verhältnis von 1:100 ein teilweiser Abbau der Struktur des Clusters auftritt.Item Open Access Die protonenleitende Membran - Schlüsselkomponente einer Brennstoffzelle(2001) Roduner, Emil; Kerres, JochenDie Brennstoffzellentechnologie wird wohl eine der Schlüsseltechnologien dieses Jahrhunderts werden, da die Energieausnutzung von Brennstoffzellenaggregaten deutlich höher ist als der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren. Mögliche Anwendungsfelder von Brennstoffzellen sind sowohl stationäre Einsätze in Blockkraftwerken als auch mobile Anwendungen als Energiequelle in Fahrzeugen wie Personen- und Lastkraftwagen, Bussen oder Schienenfahrzeugen und nicht zuletzt in mobilen Elektronikgeräten wie Funktelefonen oder Laptops.Item Open Access Solid state NMR studies of the guest molecules in urea inclusion compounds(2007) Yang, Xiaorong; Mueller, Klaus (Prof. Dr.)Urea inclusion compounds are suitable to study the dynamics of the guest molecules and the interactions between guest and guest as well as guest and host molecules under very confined spatial conditions. The understanding of the functional group interactions and the molecular dynamics can provide useful information for practical applications. 1,10-Dibromodecane and 1,11-dibromoundecane/urea inclusion compounds The structural features of urea inclusion compounds with the guest molecules 1,10-dibromodecane and 1,11-dibromoundecance were examined by solid-state 13C CP MAS and 1H MAS NMR spectroscopy. The comparison of the 13C and 1H chemical shifts of the guest species in urea and solution shows downfield shifts upon enclathration for both samples with 1,10-dibromodecane and 1,11-dibromoundecane, which supports an almost all-trans conformation of the guests in urea. The dynamic properties of urea inclusion compounds with the guest molecules 1,10-dibromodecane and 1,11-dibromoundecance selectively deuterated at both end groups, were studied by means of dynamic 2H NMR spectroscopy. Variable temperature line shapes, spin-spin relaxation and spin-lattice relaxation data were obtained between 100 K and room temperature. By examining the various motional models, it is shown that 2H NMR data can at best be reproduced by a superposition of a non-degenerate 3-site or 6-site jump model and an overall chain wobbling motion with a maximal wobbling angle of 24° at room temperature. 1,6-Dibromohexane/urea inclusion compounds The structural and dynamic properties of 1,6-dibromohexane in urea were explored by solid-state NMR spectroscopy. 13C CP/MAS NMR spectra show unusual large shifts up to about 5 ppm, which is attributed to the conformation change of the guests from the co-existence of the gauche and trans conformers in solution to exclusive gauche conformational states in urea. Variable temperature 2H NMR studies were performed in a temperature range between 220 and 320 K on two samples with non-deuterated urea, and 1,6-dibromohexane deuterated either at carbons C-1/C-6 (positions) or at carbons C-2/C-5 (-positions). The quantitative analysis of the variable temperature 2H NMR line shape experiments and spin-lattice relaxation studies supports the proposed non-degenerate 2-site jump model which describes mutual exchange between the two gauche conformers within the urea matrix. It is concluded that the gauche-gauche exchange process is the dominant source for 2H and 13C spin-lattice relaxation of 1,6-dibromohexane in urea. Analysis of the T1Z and T1Q data provides the correlation times for this motional process. The activation energy of about 20 kJ/mol for the low temperature range is rather large, and reflects considerable spatial constraints imposed by the surrounding urea matrix. Above room temperature, a lower activation energy of about 9 kJ/mol along with a discontinuous change for the mobility is observed which is attributed to the gain in spatial freedom. In general, compared with its long-chain analogues, 1,6-dibromohexane guest molecules in urea experience slower and more hindered motions. 1-bromodecane /urea inclusion compounds The structural and dynamic properties of 1-bromodecane guest molecules in urea were investigated by solid-state NMR spectroscopy. 13C CP/MAS NMR studies of 1-bromodecane/urea inclusion compounds reveal that there is no preference for a particular arrangement of the chain ends, i.e. no preference for head-head, head-tail or tail-tail arrangement. The dynamic properties of the 1-bromodecane guests were examined by 2H NMR spectroscopy including line shape, spin-spin (T2) and spin-lattice relaxation (T1Z and T1Q studies). The quantitative analysis of the experimental data shows that a non-degenerate 3-site or 6-site jump process can describe the motion of the guests in the low temperature phase while the dynamic characteristics of the guests in the high temperature phase are described by a degenerate 3-site or 6-site jump model. An activation energy of 11 kJ/mole is derived for the high temperature phase and 35 kJ/mole for the low temperature phase, which correspond to the two different slopes of the high and low temperature phases separated by T1Z and T1Q minima at the T1Z and T1Q curves, respectively. For the guest motion, a small angle fluctuation, which gives rise to a reduction of the quadrupole coupling constant in 2H NMR spectra, is also considered in the whole temperature range investigated. MAS NMR studies on selected urea inclusion compounds Urea inclusion compounds with different guest species were investigated by 13C CP MAS and 1H MAS NMR experiments. 13C NMR spectra of 1-fluorodecane/urea show that the methyl group gives rise to two peaks reflecting different end-group environments. However, for carboxylic acid, the resonances of the CH3 or COOH end-group of decanoic acid display a single peak, which is attributed to the formation of exclusively head-head dimers in the urea channels via hydrogen bonding. Urea inclusion compounds with hexadecane and pentadecane in urea were investigated by 13C CP MAS and 1H MAS NMR experiments. The comparison of the 13C NMR chemical shifts of the guest species in urea and in solution shows a downfield shift for the guest species in urea, and these chemical shift alterations are again traced back to conformational changes. 13C relaxation studies show that the 13C T1 and 13C T1values exhibit a distinct position dependence. They both reflect internal chain mobility. From the semi-quantitative 13C T1 analysis of urea inclusion compounds with hexadecane and pentadecane, correlation times of ca. 10-6 s are obtained. It is argued that chain fluctuations and lateral motion of n-alkane guests may contribute to the 13C T1relaxation, although a final proof is still missing.Item Open Access Solvent ordering near cyclohexadienyl type radicals, and ferroelectric ordering of pyridinium perchlorate(2007) Vujosevic, Danilo; Roduner, Emil (Prof. Dr.)Free radicals play a very important role in everyday life. For this reason it is of great importance to understand the underlying mechanisms of free radicals' interaction with their environment in the liquid phase. In this work investigation of methylene proton hyperfine coupling constants of cyclohexadienyl radical, and of hydrogen adducts to 2-phenylethanol and 5-phenylpentanol in various solvents was undertaken. The ordering of solvent molecules in the vicinity of cyclohexadienyl type radicals is found to be the main cause for the observed behavior of the hyperfine coupling constants. The conformation of the radical influences the hyperfine coupling constants and can also play a significant role in free radical reactions. Therefore, the conformational changes of hydrogen adducts to 2-phenylethanol and 5-phenylpentanol were studied by monitoring the β-methylene-hyperfine coupling constants in polar and nonpolar liquids. A sufficient and systematic understanding of molecular structure-physicochemical properties relationship is a basic requirement for design of new materials and processes. One of the intentions in this work was to correlate the properties and the motions of individual molecules with the measurements of macroscopically observable phenomena. For this reason, the studies of ferroelectric pyridinium perchlorate were performed and the influence of anions in the whole family of pyridinium salts was examined. More precisely, the relationship between the structure of individual ions in the crystal and the phase transition temperatures for the case of ferroelectric and nonferroelectric pyridinium salts was studied.