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Autoren: Pfeffermann, Martin Gerhard Christian
Titel: Fabrication of two-dimensional polymers and two-dimensional materials
Online-Publikationsdatum: 22-Dez-2016
Sprache des Dokuments: Deutsch
Zusammenfassung/Abstract: Die vorliegende Arbeit beinhaltet drei unterschiedliche Ansätze zur Herstellung neuer zweidimensionaler Polymere bzw. zweidimensionaler Materialien. Im ersten Teil werden zwei verschiedene Methoden zur nichtkovalenten Assemblierung beschrieben zur Herstellung groß-flächiger Einzelmoleküllagen. Eine Methode verwendet Wirt-Gast verstärkte Donor-Akzeptor-wechselwirkungen von Cucurbit[8]uril mit A3B2 Monomersystemen. Das Verfahren wurde an der Toluol-Wasser-Grenzfläche optimiert und produzierte zweidimensionale supramolekulare Polymere mit Flächen von 0.25 cm² und der Fähigkeit, freie Flächen von 10 µm² zu überspannen. Die zweite Methode zur Herstellung zweidimensionaler Polymere mittels Selbstassemblierung verwendet starke metallorganische Wechselwirkungen. Die Prozessierung an einer Luft-Wasser-Grenzfläche ermöglichte die Herstellung homogener und großflächiger zwei¬dimensionalen Polymere im mm²-Maßstab, welche Spalten von über 840 µm² bespannte ohne zu kollabieren. Die Bereitstellung einer Oberfläche mit regelmäßig angeordneten Übergangsmetallen erhöhte die Aktivität der Wasserstoffgasentwicklungsreaktion und übertraf diejenige von vergleichbaren Kohlenstoffnanoröhrchenkatalysatoren und heteroatomgedoptem Graphen. Das zweite Thema behandelt ein neues, einstufiges Verfahren für die Herstel¬lung von hohlen Kohlenstoffröhrchen. Dieses wurde mit Hilfe der gasförmigen Verteilung von Ausgangsmaterial auf einen vorgelegten Metalldraht in einer eva¬kuierten Ampulle wurde realisiert. Als Vorläufermaterialien wurden verschiedene halogenierte Verbindungen, wie Hexachlorbenzol oder Dichlormethan verwendet. Nach der Pyrolyse bei 1000 °C wurden die hohlen Kohlenstoffröhrchen ohne weitere Bearbeitungsschritte erhalten. Die nichtkollabierenden Röhrchen reflektierten die Größe und Form der vorgelegten Metalldrähte als hohle Replikate und zeigten Formstabilität. Diese Eigenschaften ebneten den Weg, willkürliche Formen wie ein Toroid, eine Y-Form, oder ein Gitter aus diesem Material herzustellen. Der dritte Ansatz dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese neuer Kathodenmaterialien für Li-S Batterien. Um den in konventionellen Systemen auftretenden, leistungsmindernden Shuttleeffekt zu verringern, wurden Disulfid¬gruppen in die Peripherie von Coronenmolekülen zur Löslichkeitsminderung implementiert. Zum ersten Mal fand ein per(disulfid)substituierter polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoff als aktives Material Verwendung in Lithiumsulfidbatterien. Die Charakteristika zeigten eine hohe spezifische Kapazität, eine hohe Stabilität der Zelle während der Zyklen und eine hohe interne Umwandlungseffizienz von 90%. Desweiteren wurde ein willkürlich disulfidverbrücktes Coronenanalogon synthetisiert. Mit einem Hauptaugenmerk auf die Anwendbarkeit des Materials wurde die Syntheseroute auf zwei Schritte mit hohen Ausbeuten reduziert. Obwohl exzellente interne Umwandlungseffizienzen erreicht wurden, konnte das Material nicht die spezifische Kapazität des Per(disulfid)coronen realisieren.
This thesis covers three approaches towards new Two-Dimensional Polymers and Two-Dimensional Materials, respectively. The first topic uses two different methods of noncovalent self-assembly to achieve large-area monolayers. One method utilizes host-guest enhanced donor-acceptor interactions of cucurbit[8]uril with A3B2 monomer systems. The procedure was optimized at a toluene-water interface and furnished two-dimensional supramolecular polymers with lateral sizes of 0.25 cm² and a free-standing ability over gaps of 10 µm². The second method of two-dimensional supramolecular self-assembly utilizes strong metal-organic interactions. Carrying out the process at an air-water interface, the fabrication of large, homogeneous mm²-sized two-dimensional supramolecular polymers monolayers, covering gaps of 840 µm² was possible. Providing a surface with regularly distributed transition metals resulted in advantageous properties in hydrogen evolution reaction, exceeding those of comparable carbon nanotube catalysts and heteroatom-doped graphenes. The second topic exhibits a novel one-step protocol for the formation of hollow carbon tubes. A vapor-based distribution of precursor material onto an applied metal wire inside an evacuated quartz ampoule was elaborated. As precursor compounds, different halogenated compounds like hexachlorobenzene or dichloromethane were provided. Without further treatment, hollow carbon tubes were received after pyrolysis at 1000 °C. The tubes were obtained as hollow replica of the wires, not collapsing and retaining the shape of the provided metal. This attribute paved the way for producing arbitrary forms from this material like a toroid, a Y-shape, or a mesh. In the third topic of this work, new cathode materials for Li-S batteries were synthesized. In order to reduce the performance-lowering shuttle effect occurring in conventional systems, disulfide moieties were attached to a coronene backbone to increase insolubility. For the first time, a per(disulfide) polycyclic aromatic hydrocarbon was applied as active material in cathodes for Li-S batteries. The characteristics revealed a high specific capacity even exceeding its theoretical capacity. The high stability of the cell throughout cycling and a good ICE value of 90% corroborated the reduction of typical problems. Furthermore, a randomly disulfide-bridged coronene analogon was synthesized. With emphasis on the applicability of this material, the synthesis route was compressed into two steps, each featuring high yields. Although the ICE values were excellent with >99%, the material was not able to stand up to the small molecule due to the specific capacity of this material of 31% of the theoretical capacity.
DDC-Sachgruppe: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Veröffentlichende Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Organisationseinheit: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Veröffentlichungsort: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2768
Version: Original work
Publikationstyp: Dissertation
Nutzungsrechte: in Copyright
Informationen zu den Nutzungsrechten: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Umfang: 212 Seiten
Enthalten in den Sammlungen:JGU-Publikationen

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