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Subject: search.filters.subject.540Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für MaterialwissenschaftStart date: 2023End date: 2023

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    Identification of the first sulfobetaine hydrogel‐binding peptides via phage display assay
    (2023) Ihlenburg, Ramona B. J.; Petracek, David; Schrank, Paul; Davari, Mehdi D.; Taubert, Andreas; Rothenstein, Dirk
    Using the M13 phage display, a series of 7- and 12-mer peptides which interact with new sulfobetaine hydrogels are identified. Two peptides each from the 7- and 12-mer peptide libraries bind to the new sulfobetaine hydrogels with high affinity compared to the wild-type phage lacking a dedicated hydrogel binding peptide. This is the first report of peptides binding to zwitterionic sulfobetaine hydrogels and the study therefore opens up the pathway toward new phage or peptide/hydrogel hybrids with high application potential.
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    Recycling of all‐solid‐state Li‐ion batteries : a case study of the separation of individual components within a system composed of LTO, LLZTO and NMC
    (2023) Waidha, Aamir Iqbal; Salihovic, Amila; Jacob, Martine; Vanita, Vanita; Aktekin, Burak; Brix, Kristina; Wissel, Kerstin; Kautenburger, Ralf; Janek, Jürgen; Ensinger, Wolfgang; Clemens, Oliver
    With the current global projection of over 130 million electric vehicles (EVs), there soon will be a need for battery waste management. Especially for all‐solid‐state lithium‐ion batteries (lithium ASSBs), aspects of waste management and circular economy have not been addressed so far. Within such ASSBs, the use of solid‐electrolytes like garnet‐type Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12 (LLZTO) may shift focus on strategies to recover not only the transition metal elements but also elements like La/Zr/Ta. In this work, we present a two‐step recycling approach using citric acid as the leaching agent to separate and recover the individual components of a model cell comprising of Li4Ti5O12 (LTO) anode, Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12 (LLZTO) garnet electrolyte and LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (NMC) cathode. We observe that by adjusting the concentration of citric acid, it was possible to separate the materials from each other without strong mixing of individual phases and also to maintain their principle performance characteristics. Thus, the process developed has a potential for upscaling and can guide towards considering separation capability of battery components in the development of lithium ASSBs.
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    Reconsidering anode materials for fluoride‐ion batteries : the unexpected roles of carbide formation
    (2023) McTaggart, Don; Warren, Scott C.; Clemens, Oliver
    Carbon is a ubiquitous additive to enhance the electrical conductivity of battery electrodes. Although carbon is generally assumed to be inert, the poor reversibility seen in some fluoride-ion battery electrodes has not been explained or systematically explored. Here, we utilize the Materials Project database to assess electrode deactivation reactions that result in the formation of a metal carbide. Specifically, we compare the theoretical potentials of MFy reduction to either the corresponding metal M or metal carbide MCx. We find that the formation of MCx is unlikely to be important in anodes that operate at modest reduction potentials, such as those made from electronegative metals like Zn, Sn, or Pb. However, in anodes that operate at extreme reduction potentials, such as alkaline earths or lanthanides, we find that formation of MCx is relevant and can emerge as a mechanism for capacity loss. Thus, side reactions of metals with carbon additives that form metal carbides possibly explain the poor reversibility of lanthanide or alkaline earth metal-based electrode materials. Finally, we highlight that the carbide formation process might be exploited for designing cheap anode systems with improved reversibility.
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    Atom probe study on CuNi thin films : miscibility gap and grain boundary segregation
    (2023) Duran, Rüya; Schmitz, Guido (Prof. Dr. Dr. h. c.)
    In dieser Arbeit wurde die Lage der Mischungslücke, und die Korngrenzsegregation im Legierungssystem, Kupfer-Nickel, per Atomsondentomographie (APT) analysiert. Zur Untersuchung der Mischungslücke eines binären Systems mit langsamer Diffusion wurde ein neues Verfahren verwendet. Multilagen aus Cu- und Ni- Dünnschichten wurden mittels Ionenstrahlbeschichtung (IBS) auf Wolframpfosten beschichtet und durch fokussierte Ionenstrahlung (FIB) geformt. Bei drei unterschiedlichen Temperaturen, zwischen 573 und 673 K, wurden isotherme Auslagerungssequenzen an einem Ultrahochvakuumofen (UHV) durchgeführt und der Mischungsprozess analysiert. Ein Modell des Diffusionsprozesses wurde mittels mathematischer Überlegungen erstellt. Durch das Fitten der experimentellen Kompositionsprofile mittels dieses Modells konnten die Gleichgewichtskonzentrationen der Schichten auch mit relativ kurzen Auslagerungszeiten ermittelt werden. Darüber hinaus konnten aus den diffusionskontrollierten Zeit- und Temperaturdaten physikalische Eigenschaften wie der effektive Diffusionskoeffizient (Gitterdiffusion einschließlich Defektdiffusion) bestimmt werden. Dieser betrug Deff = 1.86 ∙ 10-10 m2/s ∙ exp(-164 kJ mol-1/RT). Während dem Vermischen wurde die Änderung der multilagigen Mikrostruktur bis zur vollständigen Mischung bei 623 und 673 K beobachtet, wobei Korngrenzen als schneller Diffusionsweg eine wichtige Rolle spielen. Bei 573 K wurde Nichtmischbarkeit experimentell deutlich nachgewiesen, wobei die Phasengrenzen bei cNi=26 at.% und cNi=66 at.% liegen. Mit diesen Phasengrenzen wurde die Mischungslücke über eine Redlich-Kister-Parametrisierung der Gibbs‘schen freien Energie über den gesamten Konzentrationsbereich rekonstruiert. Hierin wurde für die kritische Temperatur, TC, 608 K bei einer Konzentration von 45 at% Ni gefunden. Im zweiten Teil wurde die Korngrenzsegregation durch die FIB/tEBSD- (Transmissions-Elektronen-Rückstreubeugung) Technik, in Korrelation zu APT-Messung charakterisiert. Vier Legierungen mit einem Ni-Anteil zwischen 25 und 85 at.% wurden auf Wolframpfosten per IBS beschichtet, und bei 700 K für 24 h wärmebehandelt. Die Segregation von Cu in die Korngrenzen wurde beobachtet. Durch die Verwendung eines theoretischen Models wurde die Exzess-Kurve über den gesamten Konzentrationsbereich, und die Korngrenz-Formationsenergie auf Basis der experimentellen Daten berechnet. Die tEBSD-Analyse während der FIB-Präparation erlaubt die Identifikation der Körner und deren Orientierung. Ein neues Verfahren wurde entwickelt, um mithilfe der Orientierung benachbarter Körner, Berechnungen zur Ermittlung der Korngrenzorientierung durchzuführen und somit die Orientierung natürlicher Korngrenzen zu bestimmen. Mit diesem Verfahren konnte der zeitliche Aufwand dieser anspruchsvollen Auswertung (verglichen zur herkömmlichen Methode mittels TEM-Untersuchung) stark reduziert werden, so dass eine quantitative Analyse vieler Korngrenzen möglich wurde. Aus den einzelnen Korngrenzorientierungen wurde die Korngrenzrotation, und die jeweiligen Anteile an Kippung und Drehung berechnet. Eine Abhängigkeit der Feststoffsegregation vom Kipp- und Drehanteil der Korngrenze wurde beobachtet, die am kleinsten für die reine Kipp- und Drehrotation war. Die ermittelten Segregationsweiten sind signifikant größer als die strukturellen Korngrenzweiten und bewegen sich zwischen 12 und 85 Å. Dieses Verhalten wurde durch eine künstliche Verbreiterung der Korngrenze erklärt, die durch eine Flugbahnabweichung der Korngrenzatome während der Verdampfung verursacht wurde. Eine Korngrenzweite von w0 = (10.1 ± 1.5) Å wurde für eine unverfälschte Korngrenze gefunden.
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    A complementary experimental and theoretical approach for probing the surface functionalization of ZnO with molecular catalyst linkers
    (2023) Kousik, Shravan R.; Solodenko, Helena; YazdanYar, Azade; Kirchhof, Manuel; Schützendübe, Peter; Richter, Gunther; Laschat, Sabine; Fyta, Maria; Schmitz, Guido; Bill, Joachim; Atanasova, Petia
    The application of ZnO materials as solid-state supports for molecular heterogeneous catalysis is contingent on the functionalization of the ZnO surface with stable self-assembled monolayers (SAMs) of catalyst linker molecules. Herein, experimental and theoretical methods are used to study SAMs of azide-terminated molecular catalyst linkers with two different anchor groups (silane and thiol) on poly and monocrystalline (0001, ) ZnO surfaces. Angle-resolved and temperature-dependent X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is used to study SAM binding modes, thermal stabilities, and coverages. The binding strengths and atomistic ordering of the SAMs are determined via atom-probe tomography (APT). Density functional theory (DFT) and ab initio molecular dynamics (AIMD) calculations provide insights on the influence of the ZnO surface polarity on the interaction affinity and conformational behavior of the SAMs. The investigations show that SAMs based on 3-azidopropyltriethoxysilane possess a higher binding strength and thermal stability than the corresponding thiol. SAM surface coverage is strongly influenced by the surface polarity of ZnO, and the highest coverage is observed on the polycrystalline surface. To demonstrate the applicability of linker-modified polycrystalline ZnO as a catalyst support, a chiral Rh diene complex is immobilized on the azide-terminal of the SAM and its coverage is evaluated via XPS.
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    In situ ultra-small- and small-angle X-ray scattering study of ZnO nanoparticle formation and growth through chemical bath deposition in the presence of polyvinylpyrrolidone
    (2023) Abitaev, Karina; Atanasova, Petia; Bill, Joachim; Preisig, Natalie; Kuzmenko, Ivan; Ilavsky, Jan; Liu, Yun; Sottmann, Thomas
    ZnO inverse opals combine the outstanding properties of the semiconductor ZnO with the high surface area of the open-porous framework, making them valuable photonic and catalysis support materials. One route to produce inverse opals is to mineralize the voids of close-packed polymer nanoparticle templates by chemical bath deposition (CBD) using a ZnO precursor solution, followed by template removal. To ensure synthesis control, the formation and growth of ZnO nanoparticles in a precursor solution containing the organic additive polyvinylpyrrolidone (PVP) was investigated by in situ ultra-small- and small-angle X-ray scattering (USAXS/SAXS). Before that, we studied the precursor solution by in-house SAXS at T = 25 °C, revealing the presence of a PVP network with semiflexible chain behavior. Heating the precursor solution to 58 °C or 63 °C initiates the formation of small ZnO nanoparticles that cluster together, as shown by complementary transmission electron microscopy images (TEM) taken after synthesis. The underlying kinetics of this process could be deciphered by quantitatively analyzing the USAXS/SAXS data considering the scattering contributions of particles, clusters, and the PVP network. A nearly quantitative description of both the nucleation and growth period could be achieved using the two-step Finke–Watzky model with slow, continuous nucleation followed by autocatalytic growth.
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    Hydrogen-tolerant La0.6Ca0.4Co0.2Fe0.8O3-d oxygen transport membranes from ultrasonic spray synthesis for plasma-assisted CO2 conversion
    (2023) Rashid, Aasir; Lim, Hyunjung; Plaz, Daniel; Escobar Cano, Giamper; Bresser, Marc; Wiegers, Katharina; Confalonieri, Giorgia; Baek, Sungho; Chen, Guoxing; Feldhoff, Armin; Schulz, Andreas; Weidenkaff, Anke; Widenmeyer, Marc
    La0.6Ca0.4Co1-xFexO3-d in its various compositions has proven to be an excellent CO2-resistant oxygen transport membrane that can be used in plasma-assisted CO2 conversion. With the goal of incorporating green hydrogen into the CO2 conversion process, this work takes a step further by investigating the compatibility of La0.6Ca0.4Co1-xFexO3-d membranes with hydrogen fed into the plasma. This will enable plasma-assisted conversion of the carbon monoxide produced in the CO2 reduction process into green fuels, like methanol. This requires the La0.6Ca0.4Co1-xFexO3-d membranes to be tolerant towards reducing conditions of hydrogen. The hydrogen tolerance of La0.6Ca0.4Co1-xFexO3-d (x = 0.8) was studied in detail. A faster and resource-efficient route based on ultrasonic spray synthesis was developed to synthesise the La0.6Ca0.4Co0.2Fe0.8O3-d membranes. The La0.6Ca0.4Co0.2Fe0.8O3-d membrane developed using ultrasonic spray synthesis showed similar performance in terms of its oxygen permeation when compared with the ones synthesised with conventional techniques, such as co-precipitation, sol-gel, etc., despite using 30% less cobalt.