In dieser Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht, Bortrihalogenide mit Wasserstoff unter milden Bedingungen (T < 100 °C, p(H2) < 50 bar) zu hydrieren. Um eine Triebkraft für die thermodynamisch ungünstige Reaktion zu erhalten, wurden Amine als Hilfsbasen zugesetzt, welche den bei der Reaktion entstehenden Halogenwasserstoff als Ammoniumsalz binden und damit das Reaktionsgleichgewicht in Richtung der Produkte verschieben. Es wurden dafür verschiedene Amin-Boran bzw. Amin-HCl Addukte synthetisiert und mittels IR, NMR und DSC charakterisiert. Bei den anschließenden Hydrierungsversuchen wurden verschiedene Katalysatoren auf ihre Eignung getestet und weiterentwickelt. Unterstützt wurden die experimentellen Arbeiten durch Berechnungen mit Gaussian 03. IR- und NMR-Spektren vieler Addukte wurden berechnet und freie Reaktionsenthalpien der Hydrierung in Abhängigkeit des verwendeten Amins und Borhalogenids bestimmt. Mögliche Übergangszustände wurden diskutiert und ihre Aktivierungsenergien ermittelt.:1. Einleitung und Problemstellung 2. Stand der Wissenschaft 2.1. Allgemeines 2.2. Die Amin-Boran-Addukte 2.3. Hydrierung mit Wasserstoff 2.3.1. Allgemeine Konzepte 2.3.2. Katalytische Hydrierung 2.3.3. Thermodynamische und kinetische Betrachtungen 2.4. Hydrierung mit Hydrosilanen 2.5. Quantenchemische Berechnungen 2.5.1. Grundlagen 2.5.2. Die Dichtefunktionaltheorie 2.5.3. Basissätze 2.5.4. Die Optimierungsverfahren 2.5.5. Übergangszustandsrechnungen 2.5.6. Weitere verwendete Methoden 2.6. 11B-NMR 3. Geräteteil 4. Durchgeführte Synthesen 4.1. Synthese von N-Ethyldiphenylamin 4.2. Synthese von N-Ethylbis(p-tolyl)amin 4.3. Synthese der BN-Addukte 4.4. Synthese der HCl-Addukte 4.5. Synthese von P-1 Nickel 5. Ergebnisse 5.1. Berechnungen mit Gaussian 5.1.1. Das Reaktionssystem auf Grundlage des Bortrichlorids 5.1.2. Die Hydrierung von Bortribromid und Bortriiodid mit Wasserstoff 5.1.3. Hydrierung mit Triethylsilan 5.1.4. Zusammenfassende Betrachtung der berechneten Ergebnisse 5.2. Die Addukte 5.2.1. Die "Amingrundtypen" 5.2.2. Die Addukte modifizierter Amine 5.2.3. Zusammenfassung 5.3. Hydrierung mit Triethylsilan 5.3.1. Allgemeines 5.3.2. Vergleich der Hydrierung der Bortrichlorid-Addukte von Triethylamin und N,N-Diethylanilin 5.3.3. Hydrierung bei verschiedenen Temperaturen 5.3.4. Zusammenfassung 5.4. Hydrierung mit Wasserstoff 5.4.1. Allgemeines 5.4.2. Hydrierversuche im Einkammerreaktor 5.4.3. Hydrierversuche im Zweikammerreaktor 5.4.4. Zusammenfassung 5.5. Weitere durchgeführte Experimente 5.5.1. Hydrierung von Disilanen 5.5.2. Zusatz von Chloridakzeptoren 6. Zusammenfassung und Ausblick 7. Anhang 7.1. Analytische Daten und Produktidentifizierung 7.1.1. NMR-Daten 7.1.2. IR-Daten 7.1.3. Einkristalldaten 7.2. Gaussian 03 Daten 7.2.1. Energien der Grundzustände 7.2.2. Energien der Übergangszustände 7.2.3. Berechnete IR-Spektren 7.2.4. Berechnete Reaktionsgrößen 7.2.5. Isotrope Abschirmungen 7.3. DSC-Daten 7.3.1. Boran-Amin-Addukte 7.3.2. HCl-Amin-Addukte 7.4. Die Hydrierungsansätze 8. Literaturverzeichnis 9. Formelverzeichnis

Dünne Schichten aus hydrogenisiertem amorphem Silizium a-Si:H spielen für die Photovoltaik eine wichtige Rolle. Einerseits kommt für die Dünnschicht-Photovoltaik unterschiedlich dotiertes a-Si:H in den Schichten einer p-i-n-Solarzelle zur Anwendung, andererseits stellen Heterokontakt-Solarzellen aus amorphem und kristallinem Silizium (a-Si:H/c-Si) wegen ihres hohen Wirkungsgrades derzeit ein sehr aktuelles Forschungsthema dar. Die Abscheidung der a-Si:H-Schichten im Rahmen dieser Arbeit erfolgt mit der Methode des Magnetronsputterns (Kathodenzerstäubung). Dieses für die in-line-Beschichtung etablierte Verfahren wird speziell für die Photovoltaik noch nicht in industriellem Maßstab eingesetzt (lediglich für transparente leitfähige Oxide TCO). Insbesondere existiert nur eine geringe Zahl von Veröffentlichungen zu Heterokontakten, welche mittels Magnetronsputtern hergestellt wurden. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher die Herstellung sowie Charakterisierung solcher Heterokontakte unter dem Aspekt variierter Abscheide- und Prozessparameter (Substrattemperatur, Wasserstoffflussrate, Ionenbeschuss). Das für das Sputtern erforderliche Plasma wird mit einer im Mittelfrequenzbereich gepulsten Gleichspannung angeregt. Ein dadurch mehr oder weniger ausgeprägter Ionenbeschuss der wachsenden Schichten in Abhängigkeit der Pulsparameter wird hier analysiert. Die Charakterisierung der Heterokontakte erfolgt hauptsächlich anhand deren Strom-Spannung-Kennlinien, welche auch bei variierter Temperatur gemessen werden. Erzielte Gleichrichtungsverhältnisse um 10000:1 sowie Diodenidealitätsfaktoren η ≈ 1,3 kennzeichnen (p)a-Si:H/(n)c-Si-Heterokontakte mit den besten halbleiterphysikalischen Eigenschaften. Bei zu schwacher Schichthydrogenisierung wurde ein Ladungstransportmechanismus nachgewiesen, welcher in der Literatur als multi-tunneling capture-emission MTCE bekannt ist. Eine erhöhte Hydrogenisierung unterdrückt diesen Mechanismus nahezu vollständig. Durch Abscheidung unterschiedlich stark bordotierter a-Si:H-Schichten wird außerdem die Dotiereffizienz beurteilt. Hohe Werte sind bei amorphen Halbleitern im Allgemeinen schwer zu erreichen. Die mit stärkerer Dotierung erhöhte Gleichrichterwirkung lieferte hier ein Indiz für eine nachweisbare Dotiereffizienz.

The pressure on clean and sustainable energy supplies is increasing. In this regard energy conversion by electrochemical processes plays a major role, for both fuel cell reactions and electrolysis reactions. The sulphur dioxide oxidation reaction (SOR) is a common reaction found in the Hybrid Sulphur Cycle (HyS) and the HyS is a way to produce large-scale hydrogen (H2). The problem with the use of the HyS and fuel cells is the cost involved as large amounts of Pt are required for effective operation. The aim of the study was to determine whether there was an alternative catalyst which was more efficient and cost-effective than Pt. The oxygen reduction reaction (ORR), the ethanol oxidation reaction (EOR) and SOR were studied by means of different electrochemical techniques (cyclovoltammetry (CV), linear polarization (LP) and rotating disk electrode (RDE)) on polycrystalline platinum (Pt) and palladium (Pd). The SRR and EOR are common reactions occurring at the cathode and anode, respectively, in fuel cells and these reactions have been investigated extensively. The reason for studying the reactions was as a preparation for the SOR. This study compared polycrystalline Pt and Pd for the different reactions, with the main focus on the SOR as Pd is considerably cheaper than Pt, and for the SOR polycrystalline Pd has by no means been investigated intensively. Polycrystalline Pt and Pd were compared by different electrochemical techniques and analyses. The Koutecky-Levich and Levich analyses were used to (i) calculate the number of e- involved in the relevant reaction, (ii) to determine whether the reaction was mass transfer controlled at high overpotentials and (iii) whether the reaction mechanism changed with potential. Next the kinetic current density ( k) was calculated from Koutecky-Levich analyses, which was further used for Tafel slope analyses. If it was not possible to carry out the analyses, the activation energy (Ea) was used to determine the electrocatalytic activity of the catalyst. The electrocatalytic activity was also determined by comparing onset potentials (Es), peak potentials (Ep) and limited/maximum current density ( b/ p) of each catalyst. This study was only a preliminary study for the SOR and therefore, further studies are certainly required. It seemed Pd shows better electrocatalytic activity than Pt for the SRR in an alkaline electrolyte because of similar Es, but Pd produced a higher cathodic current density. Pt showed a lower Es than Pd for the SRR in an acid electrolyte, but Pd delivered a higher cathodic current density. This, therefore, means that the SRR in an acid electrolyte is kinetically more favourable on Pd than on Pt. For the EOR better electrocatalytic activity was obtained with Pd than with Pt in an alkaline electrolyte due to higher current densities at lower potentials and Pd showed lower Ea values than Pt in the potential range normally used for fuel cells. Pd was inactive for EOR in an acid electrolyte, while a reaction occurred on Pt. A possible reason for this observation may be due to the H2 absorbing strongly on Pd thus blocking the active positions on the electrode surfaces, preventing further reaction. Pd showed higher electrocatalytic activity for the SOR due to lower Es and higher current densities at low potentials. From the RDE studies it was established that the SRR in an alkaline electrolyte on polycrystalline Pt and Pd was mass transfer controlled at low potentials (high overpotentials), but the SRR in an acid electrolyte was only mass transfer controlled on Pt. The SOR was not mass transfer controlled on polycrystalline Pt and Pd at high potentials (high overpotentials). These assumptions were confirmed by Levich analysis. Using Koutecky-Levich analysis, it was determined that the reaction mechanism on polycrystalline Pt and Pd changed with potential for SRR in an alkaline electrolyte and the SOR. For the SRR in an acid electrolyte the reaction mechanism remained constant with changes in potential on polycrystalline Pd, but the reaction mechanism on polycrystalline Pt changed with potential. These assumptions were confirmed by the number of e-, calculated using Koutecky-Levich analyses. Levich and Koutecky-Levich analyses were not performed for EOR as an increase in rotation speed did not produce an increase in current density. Tafel slope analyses were conducted by making use of overpotentials and k, where possible. As in the case of ethanol, it was not possible to execute Koutecky-Levich analyses and, therefore, it was not possible to perform Tafel slope analyses using k. Tafel slope analyses for the EOR was therefore performed with normal current densities at 0 rotations per minute (rpm). The reaction mechanisms on Pt and Pd for the SRR in alkaline and acidic electrolytes differed due to different Tafel slopes. Pt and Pd displayed similar Tafel slopes for the EOR in alkaline electrolyte, thus suggesting that the reaction mechanisms on Pt and Pd were the same. For the SOR it seemed that the reaction mechanism on Pt and Pd were similar because of similar Tafel slopes. This was only a preliminary and comparative study for polycrystalline Pt and Pd, and the reaction mechanism was not further studied by means of spectroscopic techniques. / MSc (Chemistry), North-West University, Potchefstroom Campus, 2014

The pressure on clean and sustainable energy supplies is increasing. In this regard energy conversion by electrochemical processes plays a major role, for both fuel cell reactions and electrolysis reactions. The sulphur dioxide oxidation reaction (SOR) is a common reaction found in the Hybrid Sulphur Cycle (HyS) and the HyS is a way to produce large-scale hydrogen (H2). The problem with the use of the HyS and fuel cells is the cost involved as large amounts of Pt are required for effective operation. The aim of the study was to determine whether there was an alternative catalyst which was more efficient and cost-effective than Pt. The oxygen reduction reaction (ORR), the ethanol oxidation reaction (EOR) and SOR were studied by means of different electrochemical techniques (cyclovoltammetry (CV), linear polarization (LP) and rotating disk electrode (RDE)) on polycrystalline platinum (Pt) and palladium (Pd). The SRR and EOR are common reactions occurring at the cathode and anode, respectively, in fuel cells and these reactions have been investigated extensively. The reason for studying the reactions was as a preparation for the SOR. This study compared polycrystalline Pt and Pd for the different reactions, with the main focus on the SOR as Pd is considerably cheaper than Pt, and for the SOR polycrystalline Pd has by no means been investigated intensively. Polycrystalline Pt and Pd were compared by different electrochemical techniques and analyses. The Koutecky-Levich and Levich analyses were used to (i) calculate the number of e- involved in the relevant reaction, (ii) to determine whether the reaction was mass transfer controlled at high overpotentials and (iii) whether the reaction mechanism changed with potential. Next the kinetic current density ( k) was calculated from Koutecky-Levich analyses, which was further used for Tafel slope analyses. If it was not possible to carry out the analyses, the activation energy (Ea) was used to determine the electrocatalytic activity of the catalyst. The electrocatalytic activity was also determined by comparing onset potentials (Es), peak potentials (Ep) and limited/maximum current density ( b/ p) of each catalyst. This study was only a preliminary study for the SOR and therefore, further studies are certainly required. It seemed Pd shows better electrocatalytic activity than Pt for the SRR in an alkaline electrolyte because of similar Es, but Pd produced a higher cathodic current density. Pt showed a lower Es than Pd for the SRR in an acid electrolyte, but Pd delivered a higher cathodic current density. This, therefore, means that the SRR in an acid electrolyte is kinetically more favourable on Pd than on Pt. For the EOR better electrocatalytic activity was obtained with Pd than with Pt in an alkaline electrolyte due to higher current densities at lower potentials and Pd showed lower Ea values than Pt in the potential range normally used for fuel cells. Pd was inactive for EOR in an acid electrolyte, while a reaction occurred on Pt. A possible reason for this observation may be due to the H2 absorbing strongly on Pd thus blocking the active positions on the electrode surfaces, preventing further reaction. Pd showed higher electrocatalytic activity for the SOR due to lower Es and higher current densities at low potentials. From the RDE studies it was established that the SRR in an alkaline electrolyte on polycrystalline Pt and Pd was mass transfer controlled at low potentials (high overpotentials), but the SRR in an acid electrolyte was only mass transfer controlled on Pt. The SOR was not mass transfer controlled on polycrystalline Pt and Pd at high potentials (high overpotentials). These assumptions were confirmed by Levich analysis. Using Koutecky-Levich analysis, it was determined that the reaction mechanism on polycrystalline Pt and Pd changed with potential for SRR in an alkaline electrolyte and the SOR. For the SRR in an acid electrolyte the reaction mechanism remained constant with changes in potential on polycrystalline Pd, but the reaction mechanism on polycrystalline Pt changed with potential. These assumptions were confirmed by the number of e-, calculated using Koutecky-Levich analyses. Levich and Koutecky-Levich analyses were not performed for EOR as an increase in rotation speed did not produce an increase in current density. Tafel slope analyses were conducted by making use of overpotentials and k, where possible. As in the case of ethanol, it was not possible to execute Koutecky-Levich analyses and, therefore, it was not possible to perform Tafel slope analyses using k. Tafel slope analyses for the EOR was therefore performed with normal current densities at 0 rotations per minute (rpm). The reaction mechanisms on Pt and Pd for the SRR in alkaline and acidic electrolytes differed due to different Tafel slopes. Pt and Pd displayed similar Tafel slopes for the EOR in alkaline electrolyte, thus suggesting that the reaction mechanisms on Pt and Pd were the same. For the SOR it seemed that the reaction mechanism on Pt and Pd were similar because of similar Tafel slopes. This was only a preliminary and comparative study for polycrystalline Pt and Pd, and the reaction mechanism was not further studied by means of spectroscopic techniques. / MSc (Chemistry), North-West University, Potchefstroom Campus, 2014

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Initiierungsmethode zur Polymerisation von Vinylmonomeren über die Kombination von gewöhnlichen organischen Isocyanaten und Iminbasen. Der radikalische Charakter dieses Polymerisationstyps wurde durch Copolymerisationsexperimente verifiziert. Mit verschiedenen Iminbase / Isocyanat-Kombinationen als Initiatoren wurde die Homopolymerisation von diversen (Meth)-Acrylaten, Styrol, Acrylnitril und Methacrylnitril untersucht. Parameter, wie die Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie wurden ermittelt und Aussagen zur Polymerisation getroffen. Über die Auswertung von Massenspektren niedermolekularer Polymer-Proben wurden Vermutungen zum ablaufenden Initiierungsmechanismus abgeleitet. Das Anwendungspotential dieser Methode wurde in Hinblick auf die Synthese diverser Polymerarchitekturen untersucht. Neben der Oberflächenpolymerisation an funktionalisierten Kieselgel-Partikeln mittels „grafting-from“ wurden neuartige Block- und Kammpolymer-Strukturen hergestellt und analysiert. Zudem wurde die durch reine Iminbasen vermittelte Polymerisation von (Meth-)Acrylaten untersucht. Ferner wird der positive Einfluss der Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeiten auf beide Systeme gezeigt und diskutiert.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Initiierungsmethode zur Polymerisation von Vinylmonomeren über die Kombination von gewöhnlichen organischen Isocyanaten und Iminbasen. Der radikalische Charakter dieses Polymerisationstyps wurde durch Copolymerisationsexperimente verifiziert. Mit verschiedenen Iminbase / Isocyanat-Kombinationen als Initiatoren wurde die Homopolymerisation von diversen (Meth)-Acrylaten, Styrol, Acrylnitril und Methacrylnitril untersucht. Parameter, wie die Brutto-Polymerisationsgeschwindigkeitskonstante und die Aktivierungsenergie wurden ermittelt und Aussagen zur Polymerisation getroffen. Über die Auswertung von Massenspektren niedermolekularer Polymer-Proben wurden Vermutungen zum ablaufenden Initiierungsmechanismus abgeleitet. Das Anwendungspotential dieser Methode wurde in Hinblick auf die Synthese diverser Polymerarchitekturen untersucht. Neben der Oberflächenpolymerisation an funktionalisierten Kieselgel-Partikeln mittels „grafting-from“ wurden neuartige Block- und Kammpolymer-Strukturen hergestellt und analysiert. Zudem wurde die durch reine Iminbasen vermittelte Polymerisation von (Meth-)Acrylaten untersucht. Ferner wird der positive Einfluss der Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeiten auf beide Systeme gezeigt und diskutiert.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 6 1 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG 10 1.1 Einleitung 10 1.2 Motivation und Zielsetzung 13 2 ALLGEMEINER TEIL UND THEORETISCHE GRUNDLAGEN 15 2.1 Grundlagen der freien radikalischen Polymerisation 15 2.2 Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP), Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer Polymerization (RAFT) und Nitroxide Mediated Radical Polymerization (NMP) als Beispiele für kontrollierte radikalische Polymerisationen 25 2.3 Theorie zur Copolymerisation von Vinylmonomeren 34 2.4 Applikation von Ionischen Flüssigkeiten bei der radikalischen Polymerisation 43 3 ERGEBNISSE UND DISKUSSION 49 3.1 Iminbase/Isocyanat-vermittelte (IBI) Polymerisation von Vinylmonomeren 49 3.1.1 Empirische Befunde und Klassifizierung der IBI-Systeme 50 3.1.2 Ergebnisse zu den IBI-Polymerisationen mit unmittelbarem Verbrauch der Initiator- Komponenten (Typ A) 58 3.1.3 Verwendung der Iminbase–Isocyanat-Addukte zur Polymerisation von MMA 70 3.1.4 Ergebnisse der Polymerisationen mit Typ B IBI-Kombinationen 78 3.1.5 Bestimmung und Auswertung kinetischer Parameter der IBI-Polymerisation 85 3.1.6 Studien zum Initiierungsmechanismus durch die Iminbase/Isocyanat-Kombination 102 3.2 Iminbasen-(Meth-)Acrylat-induzierte (IBA) Polymerisation 124 3.2.1 Phänomenologische Untersuchungen zur IBA-Polymerisation 124 3.2.2 Kinetik der IBA-Polymerisation und mechanistische Studien 129 3.3 Beschleunigung beider Polymerisationstypen über die Zugabe katalytischer Mengen Ionischer Flüssigkeit 143 3.3.1 Untersuchungen zur Wechselwirkung von Ionischen Flüssigkeit mit den Reaktanden mit Hilfe der ATR-FT-MIR-Spektroskopie 144 3.3.2 Ergebnisse zu den IL-katalysierten IBI-Polymerisationen 151 3.3.3 Ergebnisse zu den IL-katalysierten IBA-Polymerisationen 162 3.4 Applikation der neuartigen Polymerisationssysteme zur Blockcopolymerisation 171 3.4.1 Oberflächenpolymerisation an Siliziumdioxid-Partikeln 172 3.4.2 Blockcopolymer-Synthese mit Typ A IBI-Oligomeren 186 3.4.3 Kammpolymer-Synthese über die Anwendung der IBI- bzw. IBA-Methode 192 4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 200 5 EXPERIMENTELLER TEIL 208 5.1 Verwendete Geräte 208 5.2 Verwendete Chemikalien 210 5.3 Details zur Berechnung der Copolymerisationsparameter, Beladungen und Pfropfgrade 210 5.4 Synthesen und Polymerisationen 213 5.4.1 Allgemeine Vorgehensweise und Ergebnisse bei den Homo- und Copolymerisationen 213 5.4.2 Synthese der Iminbase–Isocyanat Addukte 222 5.4.3 Synthese der funktionalisierten Siliziumdioxid-Partikel und deren Oberflächenpolymerisation 236 5.4.4 Abspaltung von kovalent gebundenem PMMA mittels Dimethylsulfat / NaOCH3 242 5.4.5 Vorgehensweise bei der Verwendung der Spritzenpumpen-Apparatur 246 5.4.6 Synthese und Charakterisierung der organischen Blockcopolymere 247 6 LITERATURVERZEICHNIS 253 7 ANHANG 264 7.1 Kristallographische Daten zu den ermittelten Strukturen 264 7.2 Weiterführende Details zu den durchgeführten Konzentrations-Zeit-Beziehungen 278 7.2.1 Iminbase / Isocyanat-vermittelte (IBI) Polymerisation 278 7.2.2 Iminbase-(Meth-)Acrylat-vermittelte (IBA) Polymerisation 302 7.3 Fineman und Ross Beziehungen und Copolymerisationsdiagramme 314 7.4 Nachtrag zu den konzentrationsbezogenen IR-Messungen 322 DANKSAGUNG 324 SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 327 LEBENSLAUF 328 LISTE AN VERÖFFENTLICHUNGEN 329