Ce travail de thèse est consacré à la mise en forme de nouveaux matériaux carbonés à partir d’un précurseur biosourcé. Les matériaux carbonés tels que les fibres de carbone utilisés dans les composites sont principalement obtenus à partir de précurseurs d’origine pétrosourcée. Ces précurseurs sont onéreux et incompatibles avec une industrie durable. L’utilisation d’un précurseur biosourcé disponible en grande quantité tel que la lignine permet de pallier ces limitations. La structure moléculaire aromatique et la teneur élevée en carbone de la lignine font d’elle un candidat idéal pour l’élaboration de matériau carboné biosourcé. La lignine a pu être transformée en divers matériaux carbonés tels que des nanofibres de carbone, des tresses de nanofibres de carbone, ou encore des objets 3D composites carbonisés. Ces matériaux ont été obtenus à partir de techniques innovantes que sont l’électrofilage et l’impression 3D. Le tressage des nanofibres de carbone ex-lignine a permis d’évaluer les propriétés mécaniques des fibres de carbone. Les propriétés électrochimiques des tresses de nanofibres de carbone ex-lignine sont apparues intéressantes pour une utilisation potentielle en tant que microélectrodes. La microstructure faiblement organisée du carbone issue de la lignine a pu être améliorée. Un traitement thermique de graphitisation ou un ajout de nanocharges carbonées ont contribué à cette amélioration. Les propriétés mécaniques, structurales et de conductivité électrique des nanofibres nanocomposites ont permis de définir l’influence de l’oxyde de graphène sur la lignine. Un effet composite entre ces deux constituants a pu être observé. L’impression 3D d’encres composites à base de lignine et d’oxyde de graphène a pu être rapportée pour la première fois afin d’élaborer des objets 3D carbonisés denses, organisés et conducteurs d’électricité. / This work is devoted to the preparation of new bio-based carbon materials. Carbon materials, such as carbon fibers used in composites, are mainly obtained from a petroleum precursor. These precursors are expensive and not compatible with a sustainable industry. The use of a bio-based precursor available in large quantities such as lignin makes it possible to overcome limitations of petroleum based precursors. The aromatic molecular structure and high carbon content of lignin make it an ideal candidate for the production of bio-based carbon material. Lignin could be transformed into various materials such as carbon nanofibers, twisted carbon nanofibers, or carbonized composite 3D structures. These materials have been obtained from innovative techniques such as electrospinning and 3D printing. Twisting of the lignin-based-carbon nanofibers allowed for measurements of their mechanical strength. The electrochemical properties of the lignin-based twisted carbon nanofibers are interesting for potential microelectrode applications. The low microstructural order of the carbon from the carbonized lignin has been improved. Graphitization treatment or addition of carbon nanofillers contributed to this improvement. The mechanical, structural and electrical properties of nanocomposite carbon nanofibers illustrate the influence of graphene oxide on lignin. A composite effect between these two components has been observed. The 3D printing of composite inks based on lignin and graphene oxide has been reported for the first time in order to elaborate dense, organized and electrically conductive 3D carbonized structures.

Nanofibrous separators use in lithium-ion batteries brings many advantages. In contrast to contemporary used commercial separators, nanofibrous ones exhibit higher temperature resistance,ionic conductivity and higher electrolyte uptake. Better ionic conductivity is ensured by porous structure and large specific surface. Fibers creates channels for the ionic species motion. Amorphous texture of nanofibers allows quick lithium ionic species motion within the polymeric matrix of separator. Furthermore, these separators exhibit higher volume of uptaken electrolyte. Further advantage of electrospinned nanofibrous separators are both high porosity and chemical stability.

Polyorganosilany spadají do skupiny hybridních materiálů třídy II, které nabízejí nové možnosti materiálových funkcí a jejich vlastností. Ačkoliv byly v této kategorii již některé materiály zkoumány a stejně tak i jejich aplikace, nebyly doposud vlákna na základě polyorganosilanu v mikro a nano rozměru popsány což bylo motivací pro tuto práci. Předkládaná diplomová práce se zabývá podrobným zkoumáním poly(vinylmethyldimethoxysilanu) jako možného prekurzoru pro elektrostatické zvlákňování. Za účelem přípravy polymeru na bázi vinylmethylsilanu byla provedena radikálová polymerace a podmínky reakce byly modifikovány se záměrem změny molekulové hmotnosti získaného polymeru. Stupeň polymerace byl upravován na základě změny koncentrace iniciátoru a byl stanovován dynamickým rozptylem světla v roztoku polymeru a spektroskopickou metodou nukleární magnetické rezonance. Elektrostatické zvlákňování je velkou měrou spojeno s vlastnostmi roztoku a důraz byl proto kladen právě na zjištění těchto vlastností. Na základě experimentů bylo zjištěno, že syntetizovaný polymer je na přípravu vláken vhodný. Nicméně byly získány i fragmenty vláken a to s využitím polymeru v roztoku methanolu. Předpokladem zvlákňování je dostatek propojení mezi polymerními řetězci. Tento přístup byl studován se zapojením sol-gel postupu a bylo zjištěno, že fáze sol-gel procesu je velmi významná s ohledem na tvorbu vláken. Dalším využitým postupem pro získání vláken bylo začlenění dalšího polymeru do směsi jako nosiče a tímto postupem byla získána vlákna s různým průměrem.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von Kohlenstoffnitriden (CN) über verschiedene Syntheserouten und deren Untersuchung bezüglich der photokatalytischen Aktivität zur Wasserreinigung bzw. zum Schadstoffabbau. Je nach Syntheseroute sind heptazinbasierte oder triazinbasierte Kohlenstoffnitride zugänglich. Die Kohlenstoffnitride werden auf ihr photokatalytisches Verhalten untersucht, wobei Produkte welche aus einer Polykondensationsreaktion ausgehend von Dicyandiamid in einem offenen Tiegel unter Luft erhalten werden, besonders hohe photokatalytische Aktivitäten aufweisen. Diese Materialien sind in der Lage verschiedene Schad- und Farbstoffe abzubauen. Die Literatur diskutiert defektreiche, unvollständig kondensierte CN-Materialien als besonders photokatalytisch aktiv. Um Rückschlüsse auf den Kondensationsgrad und die Oberflächenpolarität zu ermöglichen, wurde die Oberflächenpolarität (HBD) der CN-Materialien anhand des Kamlet-Taft-Parameters erstmal über eine Analytikmethode bestimmt. Es wird gezeigt, dass das Vorhandensein polarer Gruppen auf der Katalysatorfläche das Adsorptionsverhalten von Schadstoffen an die Katalysatoroberfläche begünstigt und so photokatalytische Abbaureaktionen positiv beeinflusst werden. CN-Materialien mit einer hohen HBD zeigen deutlich höhere Rhodamin B Umsätze, als Materialien mit einer niedrigen HBD. Photokatalytisch besonders aktive Kohlenstoffnitride wurden ausgewählt, um sie für die Schadstoffzersetzung zur Wasserreinigung als Schichten zu immobilisieren. Somit entfällt der für eine potentielle industrielle Anwendung mitunter aufwendige Abtrennungsschritt des Katalysatormaterials. Dazu kommen drei verschiedene Verfahren zum Einsatz. Zum einen werden magnetische Kohlenstoffnitrid/Eisenoxidkomposite hergestellt und diese über ein Airbrush-Sprühverfahren auf magnetische Substrate aufgebracht. Das Sprühverfahren wird auch genutzt, um Kohlenstoffnitridpartikel auf Silikonsubstrate aufzubringen. Darüber hinaus werden vliesartige Polymersubstrate über das Elektrospinnen erzeugt. Diese werden mit Kohlenstoffnitridpartikeln über ein Tauchverfahren beschichtet. Alle hergestellten Schichten werden auf ihr photokatalytisches Potential zum Schadstoffabbau untersucht. Dabei zeigt sich, dass sowohl Triclosan, als auch Ethinylestradiol und Rhodamin B erfolgreich abgebaut werden können.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 3 1 Einleitung und Motivation 6 2 Grundlagen 9 2.1 Methoden zur Abwasserreinigung 9 2.1.1 Abwasserreinigung durch Kläranlagen 9 2.1.2 Einfluss von Medikamentenrückständen auf Mensch und Umwelt 10 2.1.3 Die Einführung der vierten Reinigungsstufe 11 2.2 Grundlagen der Photokatalyse 13 2.2.1 Photokatalytisches Grundprinzip 13 2.2.2 Kinetik und Mechanismen des photokatalytischen Abbaus von Schadstoffen 15 2.2.3 Kohlenstoffnitride als Photokatalysatoren 20 2.2.3.1 Historische Entwicklung und Strukturen von Kohlenstoffnitriden 20 2.2.3.2 Synthesestrategien von Kohlenstoffnitriden 21 2.2.3.3 Anwendung als Photokatalysator 23 2.2.4 Eisenoxide als Photokatalysatoren 25 2.2.4.1 Strukturen und Eigenschaften von Eisenoxiden 25 2.2.4.2 Synthesestrategien von Eisenoxiden 26 2.2.4.3 Anwendung als Photokatalysator 28 2.2.5 Funktionalisierung von Photokatalysatoren 29 2.3 Immobilisierungsmethoden von Photokatalysatoren 30 2.3.1 Überblick über Immobilisierungsmethoden 30 2.3.2 Immobilisierung von Kohlenstoffnitriden 34 2.3.3 Immobilisierung von Eisenoxiden 35 3 Ergebnisse und Diskussion 37 3.1 Synthese und Charakterisierung von Kohlenstoffnitriden 37 3.1.1 CN-Materialien aus der Synthese in evakuierten Quarzglasampullen 37 3.1.2 CN-Materialien aus der Synthese in einer Salzschmelze 44 3.1.3 CN-Materialien aus der Tiegelsynthese 49 3.1.3.1 Untersuchung des Einflusses der Synthesebedingungen auf Struktur und Eigenschaften 49 3.1.3.2 Weitere photokatalytische Untersuchungen mit CN550-T4 56 3.1.3.3 Einfluss der Strahlungsquelle auf den photokatalytischen Abbau mit CN550-T4 62 3.1.4 Vergleich der CN-Materialien erhalten über unterschiedliche Synthesemethoden 66 3.2 Synthese und Charakterisierung von Eisenoxiden 71 3.3 Synthese und Charakterisierung von Eisenoxid/CN-Kompositen 74 3.4 Immobilisierung von Photokatalysatoren 81 3.4.1 Immobilisierung von Eisenoxid/CN-Kompositen auf magnetischen Substraten 81 3.4.1.1 Voruntersuchungen 81 3.4.1.2 Optimierung der Schichten und photokatalytische Untersuchungen 84 3.4.2 Immobilisierung von CN-Materialien auf Polymervliesen 88 3.4.2.1 Darstellung von Polymervliesen über das Elektrospinnen 88 3.4.2.2 Funktionalisierung der Fasern mit CN550-T4-Materialien 92 3.4.2.3 Photokatalytische Untersuchungen der beschichten Vliese 96 3.4.3 Immobilisierung von CN-Materialien auf Silikonsubstraten 98 3.4.4 Vergleich der Immobilisierungsmethoden 106 4 Zusammenfassung und Ausblick 109 5 Experimenteller Teil 113 5.1 Arbeitstechniken und verwendete Geräte 113 5.2 Synthese von Katalysatorpartikeln 119 5.2.1 Synthese von Kohlenstoffnitriden in evakuierten Quarzglasampullen 119 5.2.2 Synthese von Kohlenstoffnitriden in einer Salzschmelze 120 5.2.3 Synthese von Kohlenstoffnitrid im Tiegel 121 5.2.4 Synthese von Eisenoxidpartikeln 122 5.2.5 Darstellung von Eisenoxid/CN-Kompositen 123 5.3 Immobilisierung von Photokatalysatoren 123 5.3.1 Immobilisierung von Eisenoxid/CN-Kompositen auf magnetischen Substraten 123 5.3.2 Sprühen von CN-Schichten auf Silikonsubstraten 124 5.3.3 Immobilisierung von CN-Materialien auf Polymervliesen 125 6 Literaturverzeichnis 127 7 Anhang VIII 8 Curriculum Vitae XII Selbständigkeitserklärung XIII

Platelet derivatives are an attractive source of natural growth factors and they are widely used in various tissue engineering and regenerative medicine applications. The aim of this study was to optimize cell culture conditions using platelet lysate and to develop platelet-functionalized fibrous scaffolds as a controlled drug delivery system for native growth factors. Fibrous scaffolds were prepared by electrostatic and centrifugal spinning of PCL and they were functionalized by the platelets by surface adhesion or their encapsulation using emulsion spinning techniques. The cell culture study determined the 7% platelet lysate to be the optimum concentration as a medium supplement in keratinocyte and fibroblast culture. Additionally, following surface adhesion of the platelets to PCL electrospun nanofibres, the platelets were activated due to their contact with the nanofibre nanotopography, resulting in formation of fibrin network. Fibrin served as a reservoir of the growth factors, prolonging the half-time of EGF release to 1.7 days. Such platelet-functionalized samples fostered proliferation of keratinocytes, fibroblasts and melanocytes. Furthermore, adhesion of platelets to centrifugally spun nanofibrous scaffolds resulted in almost two-fold increase in the amount of immobilized platelet-derived...

<p>Detection of pathogens, toxins, hazardous chemicals, and allergens in the food industry with reliable, sensitive, efficient, and rapid results has increased the demand to develop innovative diagnostic tools. Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) sensors have demonstrated to detect a wide variety of analytes using nanomaterials like metal nanoparticles. Concerns of synthetic materials that can affect the environment with disposal of sensors have opened the possibility of fabricating SERS sensors with biodegradable materials. Fabrication of electrospun nanofibers from natural polymeric materials such as soy protein isolate can be used as a SERS platform. In the first part of this research, the characteristics of SPI solutions blended with NaOH and polyethylene oxide (PEO) such as PEO Mw, zeta potential and viscosity as well operating parameters such as voltage (15, 20, and 27 kV) were studied to evaluate the best solutions for a nanofibrous SERS platform. Characteristics of electrospun nanofibers, such as surface wettability, fiber diameters, and morphology using SEM, helped determine the most feasible fibers for decoration with noble metal nanoparticles. Fibers fabricated with 12 wt% SPI + 5 wt% PEO (0.1 MDa) + 1 wt% NaOH solution showed the smallest fiber diameter and highest water contact angle measurements. Glutaraldehyde (GLA) was added as a crosslinker to partly increase nanofibers hydrophobicity. These nanofibers were decorated with Au-nanostars and Au@Ag-NPs suspended in 90% butanol and in water. Partly hydrophobic nanofibers decorated with Au-nanostars and Au@Ag-NPs in butanol showed the most feasible results for a SERS platform due to smallest fiber diameter and higher water contact angle. In the second part of this research, decorated SPI nanofibers were evaluated to study its feasibility as a SERS platform for detecting bisphenol A (BPA), a toxic chemical present in food packaging materials. However, SERS spectra were difficult to obtain due to CCD overflow (excessive number of photons) at all laser powers on SPI nanofiber mats. Optimizing other Raman spectroscopy parameters such as the exposure time and the number of averages could enhance the SERS measurements. The fabricated SPI nanofibers in this research showed that hydrophilic and partly hydrophobic nanofibers mats could be used for decoration with metal nanoparticles by suspending the nanoparticles in a hydrophobic solvent. Hydrophilic nanofiber mats with nanoparticles in a hydrophobic solvent open a new strategy for developing another type of SERS platform.</p>

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