03 Fakultät Chemie
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Item Open Access Kationische Wolfram-Alkylidin-N-Heterozyklische-Carben-Komplexe und deren Reaktionen zu Wolfram-Oxo- und Sulfido-Alkyliden-Komplexen(2022) Hauser, Philipp M.; Buchmeiser, Michael R. (Prof. Dr.)Item Open Access Maßgeschneiderte Blockcopolyether zur Darstellung definierter, geordneter und mesoporöser Kohlenstoffmaterialien(2022) Markus, Felix; Naumann, Stefan (Priv.-Doz. Dr.)Item Open Access Maßschneidern von elektroaktiven organischen und anorganischen Funktionsmaterialien für elektrochemische Anwendungen(2018) Goll, Miriam; Ludwigs, Sabine (Prof. Dr.)Die mit dem Klimawandel einhergehende Erderwärmung stellt die Weltbevölkerung aktuell vor größte Herausforderungen. Besonders im Bereich der CO2-neutralen Energieerzeugung und Speicherung müssen noch entscheidende Fortschritte gemacht werden. Unter den verschiedenen Materialien die für Anwendungen in diesem Gebiet denkbar sind, sollen hier halbleitende Polymere und Übergangsmetalloxide betrachtet werden. Die vorliegende Dissertation verwendet elektrochemische Methoden zur Synthese und Charakterisierung organischer und anorganischer Funktionsmaterialien und soll diese für mögliche Anwendungen optimieren. Im ersten Teil steht die Entwicklung einer Plattform für die Synthese von elektroaktiven Polymerschichten mit vielfältigen weiteren Funktionalisierungsmöglichkeiten im Mittelpunkt. Hierzu wurden Azid-funktionalisierte 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT-N3) haltige Polymerfilme mittels Elektropolymerisation hergestellt und anschließend über „Click-Chemie“ beispielsweise mit An- und Kationen funktionalisiert. Ber der ionischen Modifizierung wurden dabei weder die optischen noch die elektronischen Eigenschaften wesentlich verändert, wohl aber die Oberflächenpolarität der Filme. Die große Vielseitigkeit dieses Systems konnte gezeigt werden, indem zunächst ein lineares Copolymer mit 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT) hergestellt wurde. Bei diesem konnte durch Variation des Co-Monomerverhältnisses die Konzentration der funktionellen Gruppen gezielt gesteuert werden. Der Nachweis gelang hier durch Modifikation mit einem Fluoreszensfarbstoff. Durch Copolymerisation mit 2,2':3',2''-Terthiophen (3T) entstanden verzweigte Copolymere mit dreidimensionaler Architektur, in denen zusätzlich die elektronischen Eigenschaften eingestellt werden konnten. Die Charakterisierung erfolgte über verschiedene elektrochemische Methoden (Cyclovoltammetrie, in situ-Spektroelektrochemie, in situ-Leitwertmessungen), Infrarot- und Ramanspektroskopie sowie Wasserkontaktwinkelmessungen. Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit der Herstellung kobalthaltiger Oxide und der Bestimmung und Optimierung ihrer elektrokatalytischen Aktivität gegenüber der oxidativen Wasserspaltung, welche den Flaschenhals bei der elektrokatalytischen Konvertierung elektrischer Energie in Wasserstoff darstellt. Dazu wurde die Methode der rotierenden Scheibenelektrode zur Bestimmung der elektrokatalytischen Aktivität gegenüber der elektrochemischen Wasserspaltung, im Speziellen gegenüber der Sauerstoffentwicklungsreaktion (engl.: oxygen evolution reaction, OER), neu von mir im Arbeitskreis etabliert. Dabei wurde eine verlässliche Methode zur Bestimmung des Überpotentials entwickelt. Kobaltoxid vom Spinelltyp (Co3O4) wurde über zwei verschiedene Syntheserouten, die Ammoniumcarbonatdiffusion und die Salzmetathese, bei denen basisches Kobaltcarbonat aus chloridhaltiger Lösung ausgefällt und schließlich in Gegenwart von Sauerstoff bei erhöhter Temperatur in das Oxid überführt wird, hergestellt. Die kobalthaltigen Oxide wurden hinsichtlich ihrer elektrokatalytischen Eigenschaften untersucht. Schließlich wurde geprüft, ob sich die elektrokatalytische Aktivität optimieren lässt. Mittels Fremdionendotierung sollte das Überpotential herabgesetzt werden. In den Dotierungsversuchen in der Salzmetathese konnte keine Verbesserung der Aktivität erreicht werden, obgleich die Zugabe verschiedener Dotierungsionen wie Nickel, Lithium und Mangan einen großen Einfluss auf die Morphologie der erhaltenen Partikel hatte. In der Ammoniumcarbonatdiffusion hingegen zeigte sich, dass Dotierung mit Nickel sich positiv auf die elektrokatalytische Aktivität auswirkte, während Mangan und Lithium eher schlechtere Ergebnisse zeigten. Ferner wurden Kobaltoxide mit stäbchenförmiger Morphologie durch Mineralisation in Gegenwart löslicher und unlöslicher organischer Template („bioinspirierte Mineralisation“) hergestellt. Stäbchenförmiges Co3O4, welches durch Mineralisation in Membranporen mit 100 oder 200 nm Durchmesser synthetisiert worden war, zeigte keine besondere elektrokatalytische Aktivität. Positiv beeinflusst wurde das Überpotential allerdings durch den Einsatz von Tabakmosaikviren (TMV), die als unlösliche organische Template während der Mineralisation zugegen waren. Diese in Kooperation mit dem Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme der Universität Stuttgart hergestellten Oxide zeigten eine besonders hohe elektrokatalytische Aktivität gegenüber der OER. Neben den elektrochemischen Methoden wurden die Proben mittels Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, IR-Spektroskopie und Pulver-Röntgendiffraktometrie charakterisiert.Item Open Access Synthese und Eigenschaften von amphiphilen Copolymeren mit periodischen Strukturen und deren Wechselwirkungen an Grenzflächen(2000) Schoger, Hans-Alfred; Eisenbach, Claus Dieter (Prof. Dr. )Ein Ziel dieser Arbeit war die Synthese von neuen amphiphilen Copolymeren ausgehend von leicht zugänglichen Standardmonomeren. Im Vordergrund stand dabei die Kontrolle der amphiphilen Eigenschaften der Copolymere im Hinblick auf deren Selbstorganisation zu monomolekularen Schichten an Grenzflächen und die Aufklärung von Zusammenhängen zwischen Architektur sowie Zusammensetzung makromolekularer Systeme und deren Selbstorganisation unter dem Blickwinkel der Eignung als Modellmembrane und komplexe Multischichtsysteme mit speziellen funktionellen Eigenschaften. Die neuartigen Aspekte dieser Arbeit liegen in der Architektur der amphiphilen Copolymere. Bei den in der Literatur bekannten polymeren Amphiphilen handelt es sich größtenteils um Block- oder Pfropfcopolymere. Im Rahmen dieser Arbeit wurden durch ein im Arbeitskreis neu entwickeltes radikalisches Copolymerisationsverfahren amphiphile Copolymere mit periodischen Strukturen synthetisiert. Gegenüber den bekannten Verfahren zur Herstellung sogenannter hydrophob modifizierten Polymere durch polymeranaloge Reaktionen besteht der große Vorteil darin, daß maßgeschneiderte Makromoleküle mit genau definiertem Verhältnis zwischen hydrophilen und hydrophoben Sequenzen direkt durch Copolymerisation von leicht zugänglichen Standardmonomeren erhalten werden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der synthetisierten amphiphilen Polymere hinsichtlich ihrer rheologischen Eigenschaften. Wasserlösliche, hydrophob modifizierte Polymere bilden aufgrund der intermolekularen Wechselwirkungen der hydrophoben Gruppen oberhalb der Überlappungskonzentration Aggregate, welche eine Viskositätserhöhung zur Folge haben. Es konnte gezeigt werden, daß die amphiphilen Copolymere mit geringen Anteilen an hydrophoben Sequenzen aufgrund der überwiegenden intermolekularen hydrophoben Wechselwirkungen die Viskosität von wäßrigen Lösungen drastisch erhöhen und daher ihr technischer Einsatz als Viskositätsveränderer denkbar ist.Item Open Access High‐performance carbon fibers prepared by continuous stabilization and carbonization of electron beam‐irradiated textile grade polyacrylonitrile fibers(2021) König, Simon; Bauch, Volker; Herbert, Christian; Wego, Andreas; Steinmann, Mark; Frank, Erik; Buchmeiser, Michael R.The manufacturing of high‐performance carbon fibers (CFs) from low‐cost textile grade poly(acrylonitrile) (PAN) homo‐ and copolymers using continuous electron beam (EB) irradiation, stabilization, and carbonization on a kilogram scale is reported. The resulting CFs have tensile strengths of up to 3.1 ± 0.6 GPa and Young's moduli of up to 212 ± 9 GPa, exceeding standard grade CFs such as Toray T300. Additionally, the Weibull strength and modulus, the microstructure, and the morphology of these CFs are determined.Item Open Access Melt-spinning of an intrinsically flame-retardant polyacrylonitrile copolymer(2020) König, Simon; Kreis, Philipp; Herbert, Christian; Wego, Andreas; Steinmann, Mark; Wang, Dongren; Frank, Erik; Buchmeiser, Michael R.Poly(acrylonitrile) (PAN) fibers have two essential drawbacks: they are usually processed by solution-spinning, which is inferior to melt spinning in terms of productivity and costs, and they are flammable in air. Here, we report on the synthesis and melt-spinning of an intrinsically flame-retardant PAN-copolymer with phosphorus-containing dimethylphosphonomethyl acrylate (DPA) as primary comonomer. Furthermore, the copolymerization parameters of the aqueous suspension polymerization of acrylonitrile (AN) and DPA were determined applying both the Fineman and Ross and Kelen and Tüdõs methods. For flame retardancy and melt-spinning tests, multiple PAN copolymers with different amounts of DPA and, in some cases, methyl acrylate (MA) have been synthesized. One of the synthesized PAN-copolymers has been melt-spun with propylene carbonate (PC) as plasticizer; the resulting PAN-fibers had a tenacity of 195 ± 40 MPa and a Young’s modulus of 5.2 ± 0.7 GPa. The flame-retardant properties have been determined by Limiting Oxygen Index (LOI) flame tests. The LOI value of the melt-spinnable PAN was 25.1; it therefore meets the flame retardancy criteria for many applications. In short, the reported method shows that the disadvantage of high comonomer content necessary for flame retardation can be turned into an advantage by enabling melt spinning.Item Open Access Macrocyclization of dienes under confinement with cationic tungsten imido/oxo alkylidene N‐heterocyclic carbene complexes(2023) Ziegler, Felix; Bruckner, Johanna R.; Nowakowski, Michal; Bauer, Matthias; Probst, Patrick; Atwi, Boshra; Buchmeiser, Michael R.Macrocyclization reactions are still challenging due to competing oligomerization, which requires the use of small substrate concentrations. Here, the cationic tungsten imido and tungsten oxo alkylidene N-heterocyclic carbene complexes [[W(N-2,6-Cl2-C6H3)(CHCMe2Ph(OC6F5)(pivalonitrile)(IMes)+ B(ArF)4-] (W1) and [W(O (CHCMe2Ph(OCMe(CF3)2)(IMes)(CH3CN)+ B(ArF)4-] (W2) (IMes=1,3-dimesitylimidazol-2-ylidene; B(ArF)4-=tetrakis(3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl borate) have been immobilized inside the pores of ordered mesoporous silica (OMS) with pore diameters of 3.3 and 6.8 nm, respectively, using a pore-selective immobilization protocol. X-ray absorption spectroscopy of W1@OMS showed that even though the catalyst structure is contracted due to confinement by the mesopores, both the oxidation state and structure of the catalyst stayed intact upon immobilization. Catalytic testing with four differently sized α,ω-dienes revealed a dramatically increased macrocyclization (MC) and Z-selectivity of the supported catalysts compared to the homogenous progenitors, allowing high substrate concentrations of 25 mM. With the supported complexes, a maximum increase in MC-selectivity from 27 to 81 % and in Z-selectivity from 17 to 34 % was achieved. In general, smaller mesopores exhibited a stronger confinement effect. A comparison of the two supported tungsten-based catalysts showed that W1@OMS possesses a higher MC-selectivity, while W2@OMS exhibits a higher Z-selectivity which can be rationalized by the structures of the catalysts.Item Open Access Polymer synthesis by (dual) N-heterocyclic carbene/Lewis acid catalysis(2021) Altmann, Hagen J.; Buchmeiser, Michael R. (Prof. Dr.)Item Open Access Chromium(VI) bisimido dichloro, bisimido alkylidene, and chromium(V) bisimido iodo N‐heterocyclic carbene complexes(2020) Panyam, Pradeep K. R.; Stöhr, Laura; Wang, Dongren; Frey, Wolfgang; Buchmeiser, Michael R.Reaction of CrCl2(N-tBu)2 with 1,3-dimethylimidazol-2-ylidene (IMe), 1,3-dimethyl-4,5-dichloroimidazol-2-ylidene (IMeCl2), 1,3-di(2-propyl)imidazol-2-ylidene (IPr), 1,3-dimesitylimidazol-2-ylidene (IMes) and 1,3-bis(2,6-(2-Pr)2C6H3)imidazol-2-ylidene (IDipp) yields the corresponding N-heterocyclic carbene (NHC) adducts CrCl2(IMe)(N-tBu)2 (1), CrCl2(IMeCl2)(N-tBu)2 (2), CrCl2(IPr)(N-tBu)2 (3), CrCl2(IMes)(N-tBu)2 (4) and CrCl2(IDipp)(N-tBu)2 (5). Likewise, reaction of CrCl2(N-2,6-(2-Pr)2C6H3)2 and CrCl2(N-adamantyl)2 with IMes yields CrCl2(N-2,6-(2-Pr)2C6H3)2(IMes) (6) and CrCl2(N-adamantyl)2(IMes) (7), respectively. Reaction of CrCl2(N-tBu)2 with the bidentate NHCs 1-R-3-(1-(2-LiO-C6H4))imidazol-2-ylidene yields the corresponding pentacoordinated Cr(VI) complexes CrCl2(1-R-3-(1-(2-O-C6H4))imidazol-2-ylidene)2C6H3)2(IMes) (R = 2,4,6-(CH3)3C6H2, 8), (R = tBu, 9), (R = 2-phenyl-C6H4, 10). Reaction of the chromium(VI) complex Cr(N-2,6-(2-Pr)2-C6H3)2(CH2C(CH3)3)2 with 1,3-dimethylimidazol-2-ylidene·AgI yields the bimetallic silver adduct of the chromium alkylidene complex (11) along with the tetrahedral chromium(V) complex CrI(N-2,6-(2-Pr)2-C6H3)2(1,3-dimethylimidazol-2-ylidene) (12). Compounds 1-4, 7, 9-12 were characterized by single-crystal X-ray analysis. Finally, the chromium(VI) bisimido-amido complexes 13-14 bearing the N-6-(2-(diethylboryl)phenyl)pyridyl-2-yl-motif are reported.Item Open Access From polythiophenes to functional materials: development of complex architectures through polymer analogous modifications(2018) Reinold, Peter; Ludwigs, Sabine (Prof. Dr.)