Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von unterschiedlichen nanostrukturierten Hybridmaterialien ausgehend von nur einem Monomer. Dabei wird ein neuartiges Monomer vorgestellt, welches in einem Prozessschritt ein Hybridmaterial bestehend aus drei Polymeren bilden kann. Dies erweitert das Konzept der Zwillingspolymerisation, bei der zwei Polymere aus einem Monomer erhalten werden. Aus diesem Grund wurde der Überbegriff „Mehrlingspolymerisation“ für die Synthese von zwei oder mehr Polymeren aus nur einem Monomer eingeführt. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der gezielten Beschichtung verschiedener Partikeloberflächen mit nanostrukturierten Hybridmaterialien mittels Zwillingspolymerisation. Dabei wird der Einfluss der Oberfläche auf die Polymerisation verschiedener Zwillingsmonomere untersucht. Durch Nachbehandlung sind daraus poröse Kompositmaterialien zugänglich. Je nach Beständigkeit der Substrate sind diese in den Nachbehandlungsschritten stabil oder werden entfernt und dienen nur als Template zur Strukturierung der porösen Materialien. Es wurden unterschiedliche poröse Kohlenstoffe und Kohlenstoffkompositmaterialien hergestellt und charakterisiert. Ausgewählte Materialien wurden mit Schwefel verschmolzen und in Lithium-Schwefel-Zellen untersucht (Kooperation Dr. S. Choudhury, Leibniz-Institut für neue Materialien Saarbrücken). Die Charakterisierung der Proben erfolgte unter anderem mithilfe der Festkörper-NMR-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie, dynamischen Differenzkalorimetrie, Röntgenpulver-diffraktometrie, Infrarotspektroskopie, Raman-Spektroskopie, Thermogravimetrie und Stickstoffsorption.

Ces dernières années, la mise au point de matériaux hybrides organique-inorganiques a fait l’objet d’un intérêt grandissant dans le domaine de la chimie verte. Les matériaux hybrides a base de silice fonctionnalisée par des molécules organiques possèdent des propriétés modulables, permettant leur application dans plusieurs domaines (photochimie, médecine, dépollution . . .). D’un point de vue théorique, le challenge d’une telle étude résulte dans la détermination des propriétés d’optiques. En effet, la taille de ces systèmes ne permet pas un traitement de ces derniers d’un point de vue strictement quantique. L’enjeu de ce travail de recherche est le développement d’un programme qm/mm/tddft (Quantum Mechanic/Molecular Mechanic/ Time Dependant Density Functional Theory), pour le calcul des états électroniques excités localisés dans les solides, avec une applicationparticulière au domaine UV-visible dans les matériaux hybrides organique-inorganiques.Dans la pratique, l’intégration des équations classiques du mouvement de tous les noyaux est effectuée par le programme de dynamique moléculaire dl poly, tandis que les contributions aux forces issues des atomes dans la partie de la simulation quantique sont évaluées par le code siesta en utilisant la méthode dft (Density Functional Theory). Les spectres électroniques seront calculés avec un nouveau code de tddft (Time Dependant Density Fuctional Theory) développé pour ce projet, dans lequel l’utilisation d’une base de produits dominants accélère le calcul de façon notable. / Last years, the development of organic-inorganic hybrid materials has been a growing interest in the field of green chemistry. Hybrid materials based on silica functionalized with organic molecules have flexible properties, allowing their application in several fields (photochemistry, medicine, ...). From a theoretical point of view, the challenge of such a study results in determination of the optical properties. Indeed, the size of the system does not allow treatment with a purely quantum theory. The aim of this research is to develop a qm/mm/tddft (Quantum Mechanic / Molecular Mechanic / Time Dependent Density Functional Theory) code to calculate the excited electronic states localized in solids, with a particular application for the UV-visible region in organic-inorganic hybrid materials. In practice, the integration of classical equations of motion of all the nuclei are made by the molecular dynamics program dl poly, while contributions from the forces in the quantum simulation are evaluated by using the code siesta with the dft (Density Functional Theory) method . The electronic spectra are calculated with a new tddft code developed for this project, in which the use of dominants products accelerates the calculation significantly.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese neuartiger, polynuklearer Bismutoxido-Cluster sowie deren Potential zur Verwendung als Bausteine zum Aufbau organisch-anorganischer Hybridmaterialien beschrieben. Die molekularen Verbindungen werden nach partieller Hydrolyse eines basischen Bismutnitrats in DMSO erhalten. Durch Zugabe von Additiven wie Carbon- und Sulfonsäuren können funktionalisierte Bismutoxido-Cluster erzeugt werden, die eine gute Löslichkeit in organischen polaren Lösungsmitteln besitzen. Die Charakterisierung der Produkte erfolgte mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse, NMR- und IR-Spektroskopie sowie ESI-Massenspektrometrie. Erste Untersuchungen zur Synthese röntgenopaker organisch-anorganischer Hybridmaterialien auf der Basis von Bismutoxido-Clustern und Methylmethacrylat wurden durchgeführt. Hierzu wurde der nanoskalige Bismutoxido-Cluster [Bi38O45(OMc)24] als anorganischer Baustein gewählt. Die Oberfläche des Bismut-Sauerstoff-Gerüsts dieser Verbindung ist mit Methacrylat-Liganden bedeckt, welche eine gute Löslichkeit vermitteln und durch ihre polymerisierbaren Funktionalitäten eine kovalente Anbindung z. B. an Vinylmonomere ermöglichen. Die radikalische Copolymerisation von [Bi38O45(OMc)24] mit Methylmethacrylat liefert transparente Komposite, die anhand von Festkörper-NMR-Spektroskopie, IR-Spektroskopie sowie TG- und DSC-Analyse charakterisiert wurden.

Es wurden verschiedene NMR-spektrokopische Messungen an flexiblen und chiralen MOFs durchgeführt. Zur Untersuchung der Porensysteme kamen 129Xe-NMR und 13C-NMR an adsorbiertem CO2 zum Einsatz, während die MOF-Gitter und ihre Wechselwirkungen mit adsorbierten Gastmolekülen mittels 13C- und 1H-MAS-NMR-Spektroskopie studiert wurden. Während DUT-8(Ni) Flexibilität zeigt, weist DUT-8(Cu) ein starres Gitter auf. Die Flexibilität der sogenannten Solid-Solutions hängt in ausgeprägter Weise vom Verhältnis der funktionalisierten bdc-Linker 2,5-bme-bdc und db-bdc ab. Dieses Verhältnis hat zudem einen großen Einfluss auf die Orientierung der adsorbierten CO2-Moleküle. Es wurde erstmals eine Methode vorgestellt, die den Festkörper-NMR-spektroskopischen Nachweis chiraler Seitengruppen in chiralen MOFs erlaubt, wie anhand des chiral modifizierten UMCM-1 (ChirUMCM-1) demonstriert wurde. Die Chiralität kann einen NMR-spektroskopisch messbaren Einfluss auf die intrinsische Dynamik des MOF-Gitters ausüben, wie am chiral modifizierten DUT-32 deutlich wurde, dessen chirale Seitengruppe selektiv 15N- und 13C-isotopenmarkiert wurde.

In den letzten Jahren gewinnt der Leichtbau im Bauwesen im Zuge der Ressourceneinsparung wieder stärker an Bedeutung, denn ohne eine deutliche Steigerung der Effizienz ist zukunfts-fähiges Bauen und Wohnen nur schwer zu bewerkstelligen. Optimiertes Bauen, im Sinne der Errichtung und Unterhaltung von Bauwerken mit geringem Einsatz an Material, Energie und Fläche über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes hinweg, bedarf des Leichtbaus in punkto Material, Struktur und Technologie. In der vorliegenden Arbeit wird ein wissenschaftlicher Überblick zum aktuellen Stand der eigenen Forschungen in Bezug auf funktionsintegrativen Leichtbau im Bauwesen gegeben sowie erweiterte Methoden und Ansätze abgeleitet, die eine Konzeption, Bemessung und Erprobung von neuartigen Hochleistungs-Tragstrukturen in Leichtbauweise gestatten. Dabei steht die Entwicklung leistungs-starker und zugleich multifunktionaler Werkstoffkombinatio-nen und belastungsgerecht dimensionierter Strukturkomponenten unter dem Aspekt der Gewichtsminimalität in Material und Konstruktion im Fokus. Ein breit gefächertes Eigen-schaftsprofil für \"maßgeschneiderte\" Leichtbauanwendungen besitzen textilverstärkte Ver-bundbauteile, denn sowohl die Fadenarchitektur als auch die Matrix können in weiten Berei-chen variiert und an die im Bauwesen vorliegenden komplexen Anforderungen angepasst werden. In der vorliegenden Arbeit werden hierzu vor allem Methoden und Lösungen anhand von Beispielen zu: multifunktionalen Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), funktionsintegrier-ten faserverstärkten mineralischen Tragelemente und Verbundstrukturen in textilbewehrter Beton-GFK-Hybridbauweise betrachtet. Von zentraler Bedeutung ist dabei die Schaffung von materialtechnischen, konstruktiven und technologischen Grundlagen entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Leichtbauidee über Demonstrator und Referenzobjekt bis hin zur technologischen Umsetzung zur Überführung der Forschungsergebnisse in die Praxis. / In the last few years, lightweight construction in the building sector has gained more and more importance in the course of resource saving. Without a significant increase in efficiency, future-oriented construction and resource-conserving living is difficult to achieve. Optimized building, in the sense of the erection and maintenance of buildings with little use of material, energy and surface over the entire life time cycle of a building, requires lightweight design in terms of material, structure and technology. In this thesis, a scientific overview of the current state of research on function-integrative light-weight construction in architecture is presented. Furthermore, advanced methods and research approaches were developed and applied, that allows the design, dimensioning and testing of novel high-performance supporting structures in lightweight design. The focus is on the development of high-performance, multi-functional material combinations and load-adapted structural elements, under the aspect of weight minimization in material and construction. Textile-reinforced composites have a broad range of material properties for optimized \"tailor-made\" lightweight design applications, since the thread architecture as well as the matrix can be varied within wide ranges and can adapted to the complex requirements in the building industry. Within the scope of this thesis, methods and solutions are examined in the field of: multifunc-tional fiber-reinforced plastics (FRP), function-integrated fiber-reinforced composites with mineral matrix (TRC) and textile-reinforced hybrid composites (BetoTexG: combination of TRC and FRP). In this connection the creation of material, structural and technological foundations along the entire value chain is of central importance: From the lightweight design idea to the demonstrator and reference object, to the technological implementation for the transfer of the research results into practice.

The ultra high barrier films for packaging find applications in a wide variety of areas where moisture and oxygen barrier is required for improved shelf-life of food/beverage products and for microbial free pharmaceutical containers. These materials also find applications in micro electro mechanical systems such as ICs, and for packaging in industrial and space electronics. Flexible and portable organic electronics like OLEDs (Organic Light Emitting Diodes), OPVDs (Organic Photo Voltaic Devices) and dye sensitized solar cells (DSSCs) have a good potential in next generation solar powered devices. In fact, organic insulators, semiconductors, and metals may be a large part of the future of electronics. However, these classes of materials are just an emerging class of materials mainly because of their life time constraints. Thus significant research is required to bring them into the forefront of electronic applications. If the degradation problems can be diminished, then these polymers could play a major role in the worldwide electronic industry. A flexible polymer film itself cannot be used as an encapsulation material owing to its high permeability. While a glass or metal substrate possesses ultra high barrier properties, it cannot be used in many electronic applications due to its brittleness and inflexibility. Polymer/ nanocomposites based hybrid materials are thus a promising class of material that can be used for device encapsulation. Chapter I summarizes some of the recent developments in the polymer/nanocomposites based materials for packaging and specifically its use in flexible as well as portable organic electronic device encapsulation. While the development of low permeable encapsulant materials is a chemistry problem, an engineering/instrumentation problem is the development of an accurate technique that can measure the low levels of permeability required for electronic application. Therefore, there is a keen interest in the development of an instrument to measure permeability at these limits. The existing techniques to measure the low permeabilities of barrier films, their importance and accuracy of measurements obtained by these instruments have been briefly discussed in this chapter. Different polymer based hybrid composite materials have been developed for the encapsulation of organic devices and their materials properties have been evaluated. Broadly, two diverse strategies have been used for the fabrication of the composites: in-situ curing and solution casting. Chapters II, III and IV discuss the fabrication of nanocomposite films based on in-situ curing while chapter V discusses fabrication based on solution casting. In chapter II, amine functionalized alumina was used as a cross-linking agent and reinforcing material for the polymer matrix in order to fabricate the composites to be used for encapsulation of devices. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Raman spectroscopy were used to elucidate the surface chemistry. Thermogravimetric and CHN analysis were used to quantify the grafting density of amine groups over the surface of the nanoparticles. Mechanical characterizations of the composites with various loadings were carried out with dynamic mechanical analyzer (DMA). It was observed that the composites have good thermal stability and mechanical flexibility, which are important for an encapsulant. The morphology of the composites was evaluated using scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). The work presented in chapter III is a technique based on grafting between surface decorated γ-alumina nanoparticles and the polymer to make these nanocomposites. Alumina was functionalized with allyltrimethoxysilane and used to conjugate polymer molecules (hydride terminated polydimethylsiloxane) through platinum catalyzed hydrosilylation reaction. As in the previous chapter, the surface chemistry of the nanoparticles after surface modification was characterized by different techniques (FTIR, XPS and Raman). The grafting density of alkene groups over the surface of the modified nanoparticles was calculated using CHN analyzer. Thermal stability of the composites was also evaluated using thermogravimetric analysis. Nanoindentation technique was used to analyze the mechanical characteristics of the composites. The densities of the composites were evaluated using density gradient column and the morphology of composites was evaluated using SEM. All these studies reveal that the composites have good thermal stability and mechanical flexibility and thus can be potentially used for encapsulation of organic photovoltaic devices. In addition, rheological studies of the composites were carried out to investigate the curing reaction. The platinum-catalyzed hydrosilylation reaction was studied using both DSC and rheological measurements. The competitive reactions occurring in the system was also monitored in real time through DSC and rheology. Based on the curing curves obtained from these two studies, the mechanistic detail of the curing process was proposed. In addition, swelling studies and contact angle measurements of the composites were also carried out to determine the capability of these materials as encapsulants. Chapter IV deals with a thermally stable and flexible composite that has been synthesized by following a hydrosilylation coupling between silicone polymer containing internal hydrides and mesoporous silica. The results of the characterization of the composites indicates that the composites are thermally stable, hydrophobic, flexible and can be potentially used for encapsulating flexible electronic devices. Chapter V discusses the solution casting method for the development of composites. This chapter is divided into two parts: Part I discusses the synthesis and characterization of flexible and thermally stable composites using polyvinyl alcohol as the base polymer matrix and reactive zinc oxide nanoparticles as the dispersed phase. Various studies like thermal analysis, mechanical analysis, surface analysis and permeability studies were used to characterize the composite films for their possible use as a passivation material. The material was used to encapsulate Schottky structured devices and the performance of these encapsulated devices under accelerated weathering was studied. Part II of this chapter discusses the fabrication of hybrid organic/inorganic based polymer-composite films, based on polyvinylbutyral (PVB) and organically modified mesoporous silica. PVB and amine functionalized mesoporous silica were used to synthesize the composite. An additional polyol (‘tripentaerythritol’) component was also used to enhance the –OH group content in the composite matrix. The thermal, barrier and mechanical properties of these composites were investigated. The investigation of these films suggests that these can be used as a moisture barrier layer for encapsulation. Chapter VI gives the concluding remarks of the results presented. The advantages as well as disadvantages of the in-situ cured and solution casted films and the scope for future work is discussed in this chapter.

Le domaine de la science des matériaux et plus particulièrement celui des matériaux hybrides suscite un intérêt croissant en raison de leurs nombreuses applications. Dans ce travail, deux stratégies synthétiques ont été considérées pour la synthèse de matériaux hybrides.Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à une approche de synthèse directe en faisant réagir des ligands organiques de type oligophénylène avec de l’isopropoxyde de titane. Malheureusement, ces réactions ont conduit à la précipitation de solides amorphes ne permettant pas la caractérisation de ces produits.Dans une seconde partie, une approche de synthèse séquentielle qui consiste à synthétiser un objet précondensé pouvant s’auto-Assembler dans un second temps avec des ligands organiques a été proposée. Cette approche nous a conduits à synthétiser une nouvelle brique de formule Ti10O12(cat)8(pyr)8 et de trois dérivés de formules analogues Ti10O12(cat)8(pyr’)8 (pyr’ = pyridines substituées) obtenus par échange de ligands. Ces complexes, qui présentent des propriétés d’absorption dans le visible, ont été étudiés par spectroscopie d’absorption UV-Vis et grâce à des calculs théoriques. Puis nous avons utilisé le motif [Ti10O12(cat)8] pour générer des matériaux hybrides via des substitutions de ligands par des molécules polytopiques comme la 4,4’-Bipyridine et la poly(4-Vinylpyridine). / In the field of materials science, hybrid materials are of crucial importance due to their numerous applications. In this work, two strategies were considered to synthesize such hybrid materials.In a first part, we have tackled a one step synthetic approach by reacting resorcinol-Based oligophenylene organic ligands with titanium isopropoxide. Unfortunately, these reactions led to amorphous solids and no further structural information concerning these precipitates was obtained.In a second part, we have described a sequential approach which first concerns the preparation of pre-Ordered systems that are, in a second step, self-Assembled with organic linkers. Thus, our approach deals with the preparation of a new building block formulated as Ti10O12(cat)8(pyr)8 and three derivatives formulated as Ti10O12(cat)8(pyr’)8 (pyr’ = substituted pyridine) obtained by ligands exchange. These complexes exhibit visible light absorption properties that were studied through UV-Vis absorption spectroscopy and theoretical calculations. Then, the [Ti10O12(cat)8] motif was used to generate hybrid materials via ligands substitutions with polytopic ligands such as 4,4’-Bipyridine and poly(4-Vinylpyridine).

La thèse de doctorat est consacrée aux synthèses de matériaux composites combinant des polymères conducteurs avec des métaux de transition, leur caractérisation par l'utilisation d'un ensemble des méthodes physiques, chimiques et électrochimiques et leur application catalytique. Ces processus ont été réalisés en milieu conventionnel (aqueux et organique) et dans les liquides ioniques à température ambiante. En tant qu’approche de synthèse, nous proposons une méthode simple qui consiste en la réduction chimique de sels inorganiques au moyen de l’oxydation du monomère en milieux variés. La polymérisation du pyrrole en utilisant des sels de Fe(III), Cu(II) et Pd(II) comme oxydants a été réalisée dans une large gamme de conditions de réaction. La cinétique du processus de polymérisation a été étudiée par spectrophotométrie UV-visible et DLS. Les matériaux obtenus ont été caractérisés par les méthodes de voltammétrie cyclique, analyse élémentaire, ICP-AES, AFM, SEM, EDX, TEM, XRD, XPS, XAS, IR. Les propriétés catalytiques et électrocatalytiques des matériaux nanocomposites Pd/polypyrrole ont été analysées pour des réactions du couplage direct hétéroaryle-aryle et l’électrooxidation de l’acide ascorbique. Les procédures alternatives de préparation de polymères conducteurs dans les liquides ioniques, en comparaison avec celles dans les solvents conventionnels, ont été décrites. L’influence des conditions de synthèse sur les propriétés électrochimiques et sur la morphologie des polymères conducteurs a été discutée. L’électrooxidation du ferrocène dans les liquides ioniques a été étudiée en détail, et le modèle du transport diffusionnel dans ces milieux visqueux a été proposé. / The actual PhD thesis is devoted to syntheses of composite materials combining conducting polymers with transition metals, their characterization with the use of a large set of modern physical, chemical and electrochemical methods and initial studies of their catalytic applications. These processes were realized both in conventional (aqueous and organic) media and in room-temperature ionic liquids. As an approach for the chemical synthesis, a simple one-pot non-template method, consisting in the chemical reduction of various inorganic salts by pyrrole monomer in a set of solvents, was applied. Polymerization of pyrrole with the use of Fe(III), Cu(II) and Pd(II) salts as oxidants was carried out in a wide range of reaction conditions. The kinetics of the polymerization process was studied by UV-visible spectroscopy and DLS. The obtained materials were characterized by means of cyclic voltammetry, elemental CHNS analysis, ICP-AES, AFM, SEM, EDX, TEM, XRD, XPS, XAS, IR techniques. Catalytic and electrocatalytic properties of the synthesized Pd/polypyrrole nanocomposites were analyzed for the direct catalytic arylation of heteroaromatics and electrooxidation of ascorbic acid. Alternative ways to conducting polymer preparation in the form of films and powders inside ionic liquids, in comparison to those in conventional media, were described. The influence of the synthesis conditions and of the solvent nature on electrochemical properties and morphology of conducting polymers was discussed. The electrooxidation of ferrocene in ionic liquids was investigated in details, and a model for the diffusional transport in these viscous media was proposed.

A prototype 3-dimensional (3D) anode, based on multiwall carbon nanotubes (MWCNTs), for Li-ion batteries (LIBs), with potential use in Electric Vehicles (EVs) was investigated. The unique 3D design of the anode allowed much higher areal mass density of MWCNTs as active materials, resulting in more amount of Li+ ion intake, compared to that of a conventional 2D counterpart. Furthermore, 3D amorphous Si/MWCNTs hybrid structure offered enhancement in electrochemical response (specific capacity 549 mAhg-1). Also, an anode stack was fabricated to further increase the areal or volumetric mass density of MWCNTs. An areal mass density of the anode stack 34.9 mg/cm2 was attained, which is 1,342% higher than the value for a single layer 2.6 mg/cm2. Furthermore, the binder-assisted and hot-pressed anode stack yielded the average reversible, stable gravimetric and volumetric specific capacities of 213 mAhg-1 and 265 mAh/cm3, respectively (at 0.5C). Moreover, a large-scale patterned novel flexible 3D MWCNTs-graphene-polyethylene terephthalate (PET) anode structure was prepared. It generated a reversible specific capacity of 153 mAhg-1 at 0.17C and cycling stability of 130 mAhg-1 up to 50 cycles at 1.7C.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese neuartiger, polynuklearer Bismutoxido-Cluster sowie deren Potential zur Verwendung als Bausteine zum Aufbau organisch-anorganischer Hybridmaterialien beschrieben. Die molekularen Verbindungen werden nach partieller Hydrolyse eines basischen Bismutnitrats in DMSO erhalten. Durch Zugabe von Additiven wie Carbon- und Sulfonsäuren können funktionalisierte Bismutoxido-Cluster erzeugt werden, die eine gute Löslichkeit in organischen polaren Lösungsmitteln besitzen. Die Charakterisierung der Produkte erfolgte mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse, NMR- und IR-Spektroskopie sowie ESI-Massenspektrometrie. Erste Untersuchungen zur Synthese röntgenopaker organisch-anorganischer Hybridmaterialien auf der Basis von Bismutoxido-Clustern und Methylmethacrylat wurden durchgeführt. Hierzu wurde der nanoskalige Bismutoxido-Cluster [Bi38O45(OMc)24] als anorganischer Baustein gewählt. Die Oberfläche des Bismut-Sauerstoff-Gerüsts dieser Verbindung ist mit Methacrylat-Liganden bedeckt, welche eine gute Löslichkeit vermitteln und durch ihre polymerisierbaren Funktionalitäten eine kovalente Anbindung z. B. an Vinylmonomere ermöglichen. Die radikalische Copolymerisation von [Bi38O45(OMc)24] mit Methylmethacrylat liefert transparente Komposite, die anhand von Festkörper-NMR-Spektroskopie, IR-Spektroskopie sowie TG- und DSC-Analyse charakterisiert wurden.