Die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Wasserstoff auf Pd-Modellkatalysatoren wurde anhand von Molekularstrahlmethoden (MB) und IR-Spektroskopie mit Schwerpunkt auf dem Verständnis von mikroskopischen Faktoren, die die Aktivität und Selektivität bestimmen, studiert. Exemplarisch wurden die Reaktionen von cis-2-Buten mit H2(D2), cis-trans-Isomerisierung und Hydrierung, über einem geträgterten Pd/Fe3O4/Pt(1111)-Modellkatalysator und einem Pd(111)-Einkristall erforscht. Es wurde gezeigt, dass die Aktivität und Selektivität des Pd-Modellkatalysators stark von dessen Fähigkeit abhängt, ausreichend hohe Konzentrationen von H auf und in den Pd-Partikeln aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Während Isomerisierung effektiv abläuft, wenn nur Oberflächen-H verfügbar ist, wird für die Hydrierung eine zweite Art von H-Spezies benötigt, welche mit Volumen-H assoziert ist. Kohlenstoffablagerungen auf niedrig-koordinierten Plätzen der Pd-Partikel induzieren anhaltende Hydrierung, was einer Begünstigung der H-Diffusion ins Pd-Volumen zugeschrieben wurde. Kohlenwasserstoffspezies hingegen inhibieren die Bildung von Oberflächen-H sowie noch stärker die von Volumen-H. Gepulste MB-Experimente zum H/D-Austausch zur Untersuchung der H-Verteilung zeigten, dass neben regulärem Oberflächen-H, eine zweite Art von H-Spezies, vermutlich Volumen-H, in die HD-Bildung involviert ist. C auf niedrig-koordinierten Plätzen beeinflusst die HD-Bildung vermutlich durch eine Erleichterung der H-Diffusion ins Pd-Volumen. Kohlenwasserstoffe hingegen inhibieren den H/D-Austausch. Die ersten Ergebnisse zur Adsorption und Reaktion von Isophoron, einem alpha,beta-ungesättigtem Keton, mit H2 auf einer Pd(111)-Oberfläche werden präsentiert. Veränderungen der Adsorptionsgeometrie wurden mit steigender Bedeckung und in Anwesenheit von H anhand von IRAS detektiert. In Übereinstimmung mit realistischen Katalysestudien wurde in TPR-Messungen eine deutliche Selektivität zur Hydrierung der C=C-Bindung festgestellt. / The conversion of hydrocarbons with hydrogen over well-defined Pd model catalysts has been studied using pulsed molecular beam (MB) techniques and IR spectroscopy with a special focus on the understanding of microscopic factors governing the activity and selectivity. Exemplarily, the conversion of cis-2-butene with H2(D2) toward cis-trans isomerization and hydrogenation was studied over a supported Pd/Fe3O4/Pt(111) model catalyst and a Pd(111) single crystal surface. It was found that the activity and selectivity of the Pd model catalyst depend strongly on its ability to build up and maintain a sufficiently high concentration of H on and in the Pd particles. While isomerization proceeds effectively when merely surface H is available, for hydrogenation a second hydrogen species is required that is associated with subsurface hydrogen. Carbonaceous deposits located on low-coordinated sites of the Pd particles were found to induce persisting hydrogenation activity which could be attributed to facilitation of H diffusion to subsurface sites. Hydrocarbon species, in contrast, were found to inhibit the formation of surface H and even more pronounced subsurface H. Pulsed MB experiments on the H/D exchange to probe the H distribution showed that - next to regular surface H - a second type of hydrogen species is involved in the formation of HD, most likely subsurface hydrogen. C deposited on low-coordinated sites was shown to affect the HD formation presumably by facilitating subsurface H diffusion. Hydrocarbons strongly inhibit the H/D exchange. The first results on the adsorption and reaction of isophorone, an alpha,beta-unsaturated ketone, with hydrogen over a Pd(111) single crystal surface are presented. Changes in the adsorption geometry with increasing coverage and due to co-adsorbed H were detected using IRAS. In line with realistic catalytic studies, a strong chemoselectivity toward the hydrogenation of the C=C double bond was found in TPR measurements.

Impacts of land use and climate change in tropical forests on the global carbon budget are of principal interest in the recent research, as these forests amount to about 48 % of the world’s forested area. Interest has been focused on lowland tropical forests mainly, but tropical montane forests occupy about 20 % of all tropical forests. Soils of tropical montane forests are frequently waterlogged and characterised by high soil organic carbon stocks. Furthermore, along altitudinal gradients, changes in stand structure and net primary production can be observed that have not been fully explained yet. As causes reduced microbial activity and nitrogen turnover in soils of tropical montane forests have been suggested. Against the background of climate change, carbon turnover mechanisms in soils of these forests are of special interest. The present study therefore aimed at determining and quantifying relevant carbon and nitrogen pools as well as nitrogen mineralisation potentials. Furthermore, size, activity, and structure of microbial biomass were characterised. The collected data was supposed to provide basic knowledge on carbon and nitrogen cycling in tropical montane forest soils. Thus, evaluation of the susceptibility of their carbon stocks for climate change as well as nitrogen and carbon limitation of microbial organic matter decomposition was possible. Field work of this study was conducted during 2003–2005 at an altitudinal transect that in- cluded five study sites between 1 050 and 3 060 m amsl. Total soil respiration was recorded biweekly over two years, the contribution of roots to total soil CO2 efflux over one year. Soils of the study sites were sampled twice and biochemical and microbial parameters were determined.

Bei der industriellen Herstellung von Halbleitern, wie Silizium und GaAs erfolgt die Züchtung ausnahmslos aus der Schmelze. Die dabei herrschenden Konvektionsverhältnisse in der Schmelze sind maßgeblich für die Verteilung von Dotierstoffen, Verunreinigungen und Defekten im Kristall verantwortlich. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der RMF- (Rotierendes Magnetfeld) induzierten Strömung auf das Segregationsverhalten, bei der Züchtung von Ga-dotierten Germaniumkristallen nach dem Vertical-Gradient-Freeze Verfahren, numerisch und experimentell untersucht. Durch den Einsatz eines RMF lassen sich Kristalle mit einer verbesserten axialen und radialen Homogenität der Ladungsträgerverteilung herstellen. Weiterhin wurden Untersuchungen zur Schmelzkonvektion und zum Kohlenstofftransport bei der Herstellung von Solarsilizium nach dem Edge-defined Film-fed Growth-Verfahren durchgeführt. Die Ergebnisse der 3d-Modellierung zeigen, dass der Marangonieffekt einen wesentlichen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse in der Schmelze und somit auf den Kohlenstofftransport hat.

For the astrophysically relevant molecules, C3 and C6, ab initio calculations are performed to study the geometries of different neutral isomers, the electronic structures of C3 in its ground and excited states, and possible pathways for the reaction C3 + C3 = C6. For C3 we present calculations for the potential energy surfaces of C3 in different electronic configurations, including the singlet ground state, the triplet ground state, and some higher excited states. The geometries studied include triangular shapes with two identical bond lengths, but different bond angles between them. For the singlet and triplet ground states in the linear geometry, the total energies resulting from the mixed density functional-Hartree-Fock and quadratic configuration interaction methods reproduce the experimental values, i.e. the triplet occurs 2.1 eV above the singlet. In the geometry of an equilateral triangle, we find a low-lying triplet state with an energy of only 0.8 eV above the energy of the singlet in the linear configuration, so that the triangular geometry yields the lowest excited state of C3. For the higher excited states up to about 12 eV above the ground state, we apply time-dependent density functional theory. Even though the systematic error produced by this approach is of the order of 0.4 eV, the results give new insight into the potential energy landscape for higher excitation energies. For C6 we consider the known linear states and the lowest state of monocyclic ring. The potential energy surfaces, were built for various pathways for the reaction C3 + C3 = C6. For this investigation we apply a mixed density functional-Hartree-Fock method which gives good results with respect to the experimental values and does not demand much computational time. We have considered collinear and symmetric non-linear as well as some non-symmetric collision schemes of two C3 subunits, producing the 1Ag states of a D2h isomer, one in a cyclic shape, the other in the form of two triangles connected by the corners, and for the non-symmetric scheme the 1A' state of a Cs isomer. To investigate the pathways for the creation of C6 from two C3 we emphasize the importance of the electron configuration for the reacting C3 subunits. As a result we have obtained the following rule: The stable linear as well as the cyclic C6 molecule can only be created in the case when at least one C3 has a partially filled orbital, requiring an excited state with respect to the singlet ground state of C3. / Für die astrophysikalisch bedeutenden Moleküle C3 und C6 werden ab initio Berechnungen von elektronischen Zuständen verschiedener Isomere durchgeführt. Basierend auf der Optimierung verschiedener neutraler Isomere von C3 im Grundzustand und mehreren angeregten Zuständen werden mögliche Wege für die Reaktion C3 + C3 = C6 studiert. Für C3 werden ab initio Berechnungen für die Flächen der potentiellen Energie in verschiedenen elektronischen Konfigurationen durchgeführt, einschließlich des Singulett-Grundzustands, des Triplett-Grundzustands, und einiger höherer Anregungszustände. Die untersuchten Geometrien schließen gleichschenklige Dreiecke mit zwei identischen Bindungslängen ein, wobei der Bindungswinkel dazwischen variiert wird. Die Gesamtenergien, die sich in einem gemischten Hartree-Fock-Dichtefunktional-Verfahren und unter Verwendung der quadratischen Konfigurationswechselwirkung ergeben, reproduzieren die experimentell beobachtete Energiedifferenz von 2.1 eV zwischen dem niedrigsten Triplett-Zustand und dem Singulett-Grundzustand. In der Geometrie des gleichseitigen Dreiecks ergibt sich ein niedrigerliegender Triplett-Zustand mit einer Energie von nur 0.8 eV über der Energie des Singuletts im linearen Isomer, so dass die dreieckige Geometrie den niedrigsten Anregungszustand von C3 ergibt. Für höhere Anregungsenergien bis zu 12 eV über dem Grundzustand wird zeitabhängige Dichtefunktional-Theorie zur Ermittlung der Energie angeregter elektronischer Konfigurationen eingesetzt. Obwohl der von dieser Methode produzierte systematische Fehler von der Größenordnung von 0.4 eV ist, ergeben sich interessante neue Einblicke in die Potentiallandschaft angeregter Zustände. Für C6 betrachten wir das bekannte lineare Isomer und das zyklische Isomer. Der Verlauf der Potentialoberflächen wird für verschiedene Reaktionspfade C3+C3 = C6 untersucht, wobei ein gemischtes Hartree-Fock-Dichtefunktional-Verfahren einesetzt wird. Im Mittelpunkt des Interesses stehen dabei kollineare Anordnungen linearer C3 Moleküle, symmetrische Kollisionen nichtlinearer Reaktanden, sowie einige nichtsymmetrische koplanare Geometrien des Zusammenstosses zweier linearer Moleküle. Als Ergebnis der Reaktionen mit symmetrischen Anordnungen ergibt sich lineares C6 oder zyklisches C6 mit D2h Symmetrie in einem elektronischen Zustand der höchsten Symmetrie 1Ag. Das nicht-symmetrische Reaktionsschema führt zu einem planaren Isomer Cs im Zustand 1A'. Um die Wege für die Bildung von C6 aus zwei C3 zu untersuchen, ist die elektronische Konfiguration der Reaktanden von entscheidender Bedeutung. Als Ergebnis erhält man die folgende Regel: sowohl ein stabiles lineares als auch ein zyklisches C6 Molekül können nur gebildet werden, wenn zumindest eines der C3 Moleküle ein teilweise gefülltes Orbital hat, wofür eine Anregung aus dem Singulett-Grundzustand heraus erforderlich ist.

Die Modifizierung von Carbon Black Partikeln und multi-walled Carbon Nanotubes mit Poly(vinylformamid-co-vinylamin) wurde in Abhängigkeit vom pH-Wert untersucht, um primäre Aminogruppen auf die Oberfläche der Kohlenstoffspezies einzuführen. Mit einer anschließenden Pfropfreaktion der Aminogruppen tragenden Nanotubes mit Maleinsäureanhydrid-Copolymeren sind eine Vereinzelung und ein Stabilisieren der der Carbon Nanotubes möglich. Durch eine Auswahl an Maleinsäureanhydrid-Copolymeren war nach einer Funktionalisierung der mit PVFA-co-PVAm beschichteten Carbon Nanotubes die Änderung der Oberflächeneigenschatften von hydrophil bis hin zu ultrahydrophob möglich. Die Charakterisierung der Partikel und Nanotubes erfolgte mit Hilfe der Elementaranalyse, BET-Untersuchungen, XPS, Kontaktwinkelmessungen, TGA-Untersuchungen, elektrokinetischer Messungen und REM-Aufnahmen.

The thesis deals with the production and evaluation of porous carbon materials for energy storage technologies, namely super capacitors and lithium sulfur batteries. / Die Doktorarbeit befasst sich mit der Produktion und Evaluierung poröser Kohlenstoffmaterialien für die Anwendung in Energiespeichertechnologien, namentlich Superkondensatoren und Lithiumschwefelbatterien.

Kohlenstoffgebundene Filterwerkstoffe erfreuen sich stetig wachsender Beliebtheit seitens der Industrie. Deren Potenzial hinsichtlich stofflicher und verfahrenstechnischer Eigenschaften erscheint dennoch nicht in vollem Umfang genutzt. Daher wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit, welche innerhalb des Sonderforschungsbereiches 920 entstand, erstmals aktive (Al2O3-C) und reaktive (MgO C) Filter, sowie eine Kombination daraus entwickelt. Die aktiven Filtersysteme, deren Funktionalisierung einerseits über die Erhöhung des amorphen Kohlenstoffanteils, andererseits über die Beschichtung mit rein oxidischen Materialien stattfand, sowie die reaktiven Filter, bei denen sich der carbothermischen Reduktion des MgO bedient wurde, konnten, in Kollaboration mit der Industrie, erfolgreich getestet werden. Durch gezielte Kontamination des Stahls mit exogenen Einschlüssen auf Basis von Al2O3 und MgAl2O4, ist es gelungen dem Chemismus der jeweiligen Filter einen entscheidenden Beitrag zum Filtrationsprozess zuweisen zu können. So weist Aluminiumoxid, unabhängig vom Chemismus des Einschlusses, das vergleichsweise größte Filtrationspotenzial auf.

Carbide-derived carbon Monoliths (CDC-Ms) containing a multimodal arrangement with high volumes of micro- meso- and macropores are prepared by direct nanocasting of silica monoliths with polycarbosilane precursors. CDC-Ms show well-defined pore structures along with specific surface areas of more than 2600 m2 g−1 and overall pore volumes as high as 3.14 cm3 g−1. They exhibit advanced gas filtration properties compared to purely microporous materials due to enhanced storage capacities and kinetics as demonstrated by thermal response measurements based on InfraSORP technology.

Zugl.: Bremen, Univ., Diss., 2009

Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.