The framework of this thesis aims to fabricate materials, which change surface characteristics in response to environmental conditions. This response may be employed to improve material characteristics as adhesion, wettability, interaction with cells etc. The mixed brushes introduce adaptive and switching behavior in different surrounding media. Two main approaches were employed to fabricate mixed polymer brushes: "grafting to" and "grafting from". Mixed PS/PVP polymer brushes were synthesized via step-by-step grafting of these two polymers from polyamide (PA) surfaces. NH3 plasma was used for the introduction of amino and OH functionalities on PA surfaces with following attachment of azo initiator of radical polymerizaton. The mixed brushes prepared on the surface of PA textiles combine both the switching effect and effect of composite surface (i.e. micrometer scale roughness) which substantially amplifies the switching range. Mixed polymer brushes prepared from P(S-b-2VP-b-EO) and P(S-b-4VP) block copolymers were grafted to both the flat surface of Si wafers and to the surface of silica nanoparticles via quaternization reaction of the pyridine nitrogen. This one step grafting technique has a substantial advantage over the multistep grafting of mixed polymer brushes. We have demonstrated that combination of the two level hierarchical organization of polymer films at macroscopic and nanoscopic levels resulted in the formation of self adaptive surfaces switchable in controlled environment from ultra-hydrophobic to hydrophilic energetic states. The PFS/PVP mixed brush was grafted onto the pre-treated PTFE surface (plasma etching) with the needle like topography. The size of vertical needles was at micron scale. If the brush is switched to the hydrophobic state the layer has shown a unique ultra-hydrophobic behavior (complete non-wetting) with the contact angle approaching value of 160o. If the mixed brush was switched into the hydrophilic state the surface became completely wetted due to the capillary forces in the pores formed by the needle like structure. Thus, the surface can be either highly wettable or completely non-wettable with the self cleaning properties.

Die ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) sagt voraus, dass die fortlaufende Miniaturisierung der Transistoren und Verdrahtungen auch neue Isolationsmaterialien mit äußerst niedrigen (ultralow) Dielektrizitätskonstanten k erfordern wird. Die Miniaturisierung der Bauteile der ULSI (Ultra Large Scale Integration) führt zu starken Anforderungen an die Fertigung der kritischen Bereiche (backend-of-line, BEoL). Die ITRS deutet darauf hin, dass die k-Werte bis zu 2.0 für die 45 nm Technologie reduziert werden müssen, und zu noch niedrigeren k-Werten (k  1.5) für die nachfolgenden Jahre. Ergänzend zur äußerst niedrigen dielektrischen Konstante müssen die Isolatoren auch über entsprechende mechanische Eigenschaften verfügen. Die vorliegende Arbeit stellt Forschungen vor, die das Ziel haben, mittels modernen ab-initio und halbempirischen theoretischen Methoden neuartige Isolationsmaterialien für zukünftige mikroelektronische Anwendungen zu entwerfen. Die umfangreichen eingesetzten Rechenmethoden wurden verwendet, um strukturelle und physikalische (mechanische, dielektrische und elektronische) Eigenschaften von entworfenen Zwischenschichtsdielektrika zu bestimmen. Eine neue Art von Materialien wird vorgestellt, die als ein möglicher Kandidat für isolierende ultralow-k dünne Schichte zwischen Metallleiterbahnen in zukünftigen CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) Technologien fungieren sollen. Die Struktur der neuartigen Materialien wird durch ein Modell beschrieben, das ein geordnetes dreidimensionales Netzwerk (Mosaikstruktur) darstellt. Dies besteht aus drei Hauptkomponenten: Knoten, Kanten und Topologie der Anordnung. Fullerenmoleküle (C60) werden als Knoten des Netzwerkes verwendet. Die Knoten werden durch Verknüpfermoleküle entlang der Kanten der Mosaikzelle angekoppelt. Dies wird durch kovalente Bindungen realisiert. Als Verknüpfermoleküle werden Kohlenwasserstoff- Kettenmoleküle verwendet. Einfache kubische, flächenzentrierte kubische und diamantähnliche Topologien werden für Anordnungen des Netzwerkes betrachtet. Das Innere einer Netzwerkzelle repräsentiert eine Nanopore der Größe in Bereich von 1 nm. Zunächst werden am Beispiel fluorierter Fullerene Probleme der molekularen Polarisierbarkeit untersucht. In Molekülen mit ionischem Beitrag zur Bindung kann der Beitrag der Kernverschiebungen (wegen des äußeren Feldes) zur statischen Polarisierbarkeit entscheidend sein. Mittels der Finite Field Methode wird die Struktur mit und ohne ein endliches äußeres elektrisches Feld optimiert. Dabei wird die Optimierung durch Minimierung der Gesamtenergie durchgeführt und die molekulare Polarisierbarkeit aus dem induzierten Dipolmoment bestimmt. In C60Fn erhöht meistens das Fluorieren die Polarisierbarkeit. Nur für n = 2 und 18, wobei das Molekül ohne ein äußeres Feld ein sehr großes Dipolmoment hat, wird die Polarisierbarkeit verringert. Für große Werte n (n = 20, 36 und 48) wird die Polarisierbarkeit pro zusätzliches Fluoratom wegen Kernverschiebungen deutlich erhöht. Die Modifizierung der Knoten des Netzwerkes wird betrachtet und die Anwendbarkeit des Additivitätsmodells diskutiert. Die Dielektrizitätskonstante des reinen flächenzentrierten kubischen Fullerengitters beträgt etwa 4.4. Die Einführung der Verknüpfermoleküle zwischen benachbarten Fullerenmolekülen und die gleichzeitige Verwendung von auf Kohlenstoffatomen basierten käfigförmigen Molekülen reduziert die Dichte des Materials. Dies ergibt eine beträchtliche Verringerung der makroskopischen Polarisierbarkeit des Materials. Die Struktureinheit, die aus zwei Fullerenmolekülen und einem Kohlenwasserstoff-Verknüpfermolekül besteht, wird mittels quantenchemischer Methoden (DFTB Molekulardynamik) optimiert. Es werden die Dichte der lokalen Dipole und elektronische Effekte betrachtet, um die effektive Dielektrizitätskonstante des Modells abzuschätzen. Die Berechnungen zeigen, dass k-Werte von etwa 1.4 erreicht werden können, wenn C6H12 Kettenmoleküle verwendet werden, um die C60-Moleküle im Netzwerk mit diamantähnlicher Symmetrie zu verknüpfen. Weiterhin werden molekulare Cluster mit angelegten periodischen Randbedingungen für einfache kubische und diamantähnliche Topologien konstruiert. Kombinationen der klassischen und quantentheoretischen Methoden werden eingesetzt, um die Struktur zu optimieren, Kompressionsmodule zu berechnen und die dielektrischen Eigenschaften der fullerenbasierten Materialien zu berechnen. Dies hat das Ziel, ultralow-k Isolatoren mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften zu finden. Es wird die kovalente Verknüpfung der C60 Moleküle untersucht und sowohl die Länge und chemische Zusammensetzung des Verknüpfermoleküles als auch die Verknüpfungsgeometrie variiert. Gemäß dem entworfenen Modell werden Strukturen mit einfacher kubischer und diamantähnlicher Topologie des Netzwerkes als vielversprechende Kandidaten betrachtet. Die (statische) Dielektrizitätskonstanten k und Kompressionsmodule B sind für einige vorgeschlagene Materialien im Bereich von k = 1.7 bis 2.2 und beziehungsweise von B = 5 bis 23 GPa. Das Clausius-Mossotti Modell wird zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante der entworfenen Strukturen verwendet. In den nächsten Schritten der Arbeit werden die Wege der Verbesserungen für das vorgeschlagene Modell betrachtet. Es wird analysiert, auf welche Art Verknüpfermoleküle an die Knoten gebunden werden können, um die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften der generierten ultralow-k Strukturen zu verbessern. Es gibt zwei mögliche verschiede Arten, die Verknüpfermoleküle > C = C < und > C – CH2 – CH2 – C < an das Käfigmolekül C60 anzukoppeln. Die Berechnungen zeigen, dass es im gegenwärtigen Verbesserungsschritt möglich ist, für die einfache kubische Topologie Eigenschaftskombinationen mit k = 2.2 und B = 33 GPa zu bekommen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine theoretische Methode ¬¬– sogenannter molekularer Entwurf – entwickelt und erfolgreich angewandt. Die theoretische Behandlung ist kompliziert, weil Wechselwirkungen im atomaren Skalabereich und auf einem strukturellen Niveau von 1 nm zusammen betrachtet werden müssen. Dies Verfahren erfordert die Anwendung komplementärer theoretischen Methoden, um das gesamte Problem beschreiben zu können. Die Methoden schließen klassische, kontinuierliche theoretische und quantenchemische Näherungen ein. Der Vorteil dieser Methode ist, dass verschiedene mögliche Kandidaten für ultralow-k Dielektrika theoretisch getestet werden können, ohne teure und zeitaufwendige Experimente durchzuführen. / The International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) predicts that continued scaling of devices will require insulating materials with ultralow dielectric constant k. The shrinking of device dimensions of ultra-large-scale integrated (ULSI) chips imposes strong demands on the backend of the line (BEoL) interconnect structures. The ITRS indicates that the k values need to be reduced to 2.0 for the 45 nm technology node or below (k  1.5) in the next few years. Additionally to extremely low dielectric constants, the insulating materials must have also suitable mechanical properties. The work represents research, which is aimed to support molecular design and investigations of modelled novel insulating materials for future application in microelectronics by means of theoretical ab-initio and semiempirical methods. A wide range of computational methods were used to estimate structural and physical (mechanical, dielectrical and electronic) properties of the designed interlayer dielectrics (ILDs). A new class of materials is presented that is supposed to be a potential candidate for isolating ultralow-k thin films between metal on-chip interconnects in future CMOS technology nodes. The structure of the novel materials is described by a model that assumes an ordered three-dimensional network (mosaic structure) consisting of three main components: nodes, edges and topology of arrangement. Fullerene (C60) molecules are used as the nodes of the network. The nodes are connected by linker molecules along the edges of the mosaic cells through a covalent bonding. Hydrocarbon chain molecules are used as the linkers. Simple cubic, face-centred cubic and diamond-like topologies of the network are considered. The interior of a network cell represents a nanopore of a 1-nm scale. At first problems of molecular polarizability are investigated considering the case of fluorinated fullerenes. In molecules with ionic contribution to the binding, the contribution of nuclear displacements (due to the external field) to the static polarizability can be decisive. Using the finite field method, the structure is optimized with and without a finite external electric field by a total energy minimization and the polarizability is calculated from the induced dipole moment. In C60Fn, fluorination mostly increases the molecular polarizability. Only for n = 2 and 18, where the molecule without an external field has a very large dipole moment, fluorination does decrease it. For large n (n = 20, 36, and 48), the polarizability per added F atom due to nuclear displacements is increased by a factor of about 2. The modification of the nodes of the network is considered and the validity of the additivity model is discussed. The dielectric constant of the pure fullerene face-centred cubic lattice is about 4.4. The introduction of bridge molecules between neighbouring fullerene molecules and the simultaneous usage of cage-like molecules based on carbon atoms reduces the density of the material. This results in a considerable decrease of the macroscopic polarizability of the material. The structural units of the models consisting of two fullerenes and a hydrocarbon bridge molecule are optimized by means of quantum chemical methods (DFTB molecular dynamics). The density of local dipoles and electronic effects are considered to estimate the effective dielectric constant of the models. It is shown that k values of about 1.4 can be obtained if C6H12 chain molecules are used to connect C60 molecules on a network with diamond-like symmetry. Further, molecular clusters with applied periodic boundary conditions are constructed for simple cubic and diamond-like topologies. Combinations of classical and quantum-theoretical approaches are used to optimize the structure, to calculate bulk moduli, and for the assessment of the dielectric properties of fullerene-based materials with the goal to find ultralow-k insulators with suitable mechanical properties. The covalent linking of C60 molecules is studied and the length and chemical composition of the linker molecule as well as the linkage geometry is varied. According to the molecular design-based model, structures with simple cubic and diamond-like topology of the network are proposed as promising candidates. The (static) dielectric constants k and elastic bulk moduli B of the proposed materials are in the range of k = 1.7 to 2.2 and B = 5 to 23 GPa, respectively. The Clausius-Mossotti-Model is used to estimate dielectric constants of the designed structures. In the next steps of the work the ways of improvements for the proposed model are considered. The way to connect linker molecules to the node molecules is analyzed, in order to improve the mechanical and dielectric properties of the generated ultralow-k structures. Two different types of bonding linker molecules to the cage C60 molecule with the > C = C < and > C – CH2 – CH2 – C < linker molecules are possible. It is shown that at the present improvement step it is possible to get property combinations with dielectric constant of k = 2.2 and bulk modulus of B = 33 GPa for the simple cubic topology. In this work a theoretical method called molecular design is developed and successfully applied. The theoretical treatment is difficult since interactions both on the atomic scale and on the structural level of 1 nm must be considered. This approach requires the application of complementary theoretical methods to describe the complex problems. The methods include classical, continuum theoretical and quantum-chemical approximations. The advantage of the present approach is that various possible candidates for ultralow-k dielectrics can be tested theoretically without performing expensive and time-consuming experiments.

Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen der atomaren Struktur und des elektrischen Widerstands an in-situ hergestellten amorphen Na-Sn-Legierungen im Temperaturbereich 2K < T < 500K vorgestellt. Zur Herstellung der hochreaktiven duennen Schichten wird eine neu entwickelte Praeparationsmethode unter Reinstgasatmosphaere und Ultrahochvakuum benutzt. Die Messungen muessen im UHV durchgefuehrt werden. In amorphem Na-Sn gibt es zwei im Sinne von Hume-Rothery bzw. Peierls elektronisch stabilisierte Bereiche, die jeweils einer Phase zugeordnet werden koennen. In Phase I (0 <= x <= 50) koennen sich die Atome nur durch eine Erhoehung der Atomzahldichte, was einer Volumenverkleinerung entspricht, in die Friedelminima des Paarpotentials legen. Dazu gibt das Na sein aeusseres Elektron ab und verkleinert damit seinen Radius. Der zweite Peak im Strukturfaktor S(K) verschiebt hier parallel zum Durchmesser der Fermikugel und ist damit der elektronisch induzierte. Der Peak liegt sehr nahe beim Fermikugeldurchmesser. Dadurch ergeben sich starke Anomalien im elektronischen Transport, im mittleren Konzentrationsbereich macht das System sogar einen Metall-Isolator-Uebergang. In Phase II (60 <= x <= 73) liegen die Atome ohne Aenderung des Volumens in den Friedelminima. In der vorliegenden Arbeit wird davon ausgegangen, dass das Na eine Umgebung aufbaut bzw. findet, die der des reinen Na nahekommt. In Phase II ist der erste Peak in S(K) der elektronisch induzierte. Das System verhaelt sich hier aehnlich wie vergleichbare Edelmetall- Polyvalentelement-Legierungen, bei einer effektiven Valenz Z = 1.8e/a fallen der Peak und der Fermikugeldurchmesser exakt zusammen. In dieser Phase tritt aber in S(K) ein Prepeak bei kleinen Streuvektoren auf. In der elektronischen Zustandsdichte ergibt sich ein Pseudogap bei der Fermienergie und das Material wird ein schlechtes Metall. Im Ueberlappungsbereich (50 < x < 60) koexistieren beide Phasen nebeneinander. Dies wird durch ein in zwei Abstaende aufgespaltenes erstes Maximum in der Atomverteilungsfunktion deutlich. Die Atome besetzen durch ihre Umverteilung von der einen zur anderen Phase scheinbar auch die Positionen zwischen den Friedelminima.

Wasserstoff ist der ideale Energieträger, da er völlig schadstofffrei verbrennt und einen potentiell hohen Energiegehalt pro Masse besitzt. Die größte Herausforderung für den Gebrauch von Wasserstoff als Kraftstoff ist die Wasserstoffspeicherung in sicheren und kostengünstigen Systemen. Die Ziele und Aufgaben der vorliegenden Doktorarbeit sind, poröse Materialien, die unterschiedliche Struktur und Zusammensetzung besitzen, für die Physisorption von Wasserstoff mittels einer neuartigen volumetrischen Apparatur zu untersuchen. Das Erreichen maximaler Speicherdaten stand nicht im Vordergrund dieser Arbeit. Viel wichtiger war es, einen Struktur – Eigenschafts – (Sorptions) – Zusammenhang zu verstehen, auf deren Basis eine systematische Entwicklung von Wasserstoffspeichermaterialien erfolgen könnte. Zwei Klassen von potentiellen Wasserstoffspeichern wurden erforscht: expandierte Graphitmaterialien und Metallorganische Netzwerke. Neue experimentelle Methoden zur Untersuchung der Wasserstoffspeicherkapazität an modifizierter volumetrischer Apparatur wurden erfolgreich entwickelt und geprüft. Das Verwenden einer der Kammern als Referenzkammer ermöglicht das Ausschließen der experimentellen Artefakte aus der Auswertung der gespeicherten Wasserstoffmenge. Es wurde keine Gaszustandgleichung bei tiefen Temperaturen verwendet, was sehr wichtig bei den Experimenten mit Wasserstoff ist.

Hydrogen is an efficient, carbon-free and safe energy carrier. However, its compact and weight-efficient storage is an ongoing subject for research and development. Among the intensively investigated hydrogen storage materials, lithium aluminum hydride (LiAlH4) is an attractive candidate because of its high theoretical hydrogen density (volumetric: 96.7g H2/l material; gravimetric: 10.6 wt.%-H2) in combination with rather low decomposition temperatures (onset temperature <100°C after doping). Although the reversible dehydrogenation of LiAlH4 must be carried out with the help of organic solvent, LiAlH4 can serve as single-use hydrogen storage material for various special applications, for example, hydrogen fuel cell systems. This thesis deals with transition metal (TM)-doped LiAlH4 aiming at tailored dehydrogenation properties. The crystal structure and morphology of TM-doped LiAlH4 is characterized by XRD and SEM respectively. The positive effects of four dopants (NiCl2, TiCl3, ZrCl4 and TiCl4) on promoting the dehydrogenation kinetics of LiAlH4 are systematically studied by thermal analysis. Based on the state of each TM chloride (solid or liquid), three low-energy-input doping methods (1. ball-milling at low rotation speed; 2. manual grinding or magnetic stirring; 3. magnetic stirring in ethyl ether) are compared in order to prepare LiAlH4 with the maximum amount of hydrogen release in combination with fast dehydrogenation kinetics. The dehydrogenation properties of the TM-doped LiAlH4 powders are measured under isothermal conditions at 80°C at a H2 pressure of 1 bar, which is within the operating temperature range of proton exchange membrane (PEM) fuel cells, aiming at applications where the exhaust heat of the fuel cell is used to trigger the dehydrogenation of the hydrogen storage material. Furthermore, the mid-term dehydrogenation behavior of TM-doped LiAlH4 was monitored up to a few months in order to test its mid-term storability. In addition, the pelletization of TM-doped LiAlH4 is investigated aiming at a higher volumetric hydrogen storage capacity. The effects of compaction pressure, temperature and the H2 back-pressure on the dehydrogenation properties of TM-doped LiAlH4 pellets are systematically studied. Moreover, the volume change through dehydrogenation and the short-term storage of the TM-doped LiAlH4 pellets are discussed in view of practical applications for PEM fuel cell systems. / Wasserstoff ist ein effizienter, kohlenstofffreier und sicherer Energieträger. Jedoch die kompakte und gewichtseffiziente Speicherung ist ein permanentes Forschungs- und Entwicklungsthema. Unter den intensiv untersuchten Materialien für die Wasserstoffspeicherung ist aufgrund der hohen theoretischen Speicherdichte (volumetrisch: 96,7 g H2/L, gravimetrisch: 10.6 Gew.%-H2) in Kombination mit sehr niedrigen Zersetzungstemperaturen (Anfangstemperatur < 100°C nach Dotierung) Lithium Aluminiumhydrid (LiAlH4) ein vielversprechender Kandidat. Obwohl die reversible Dehydrierung von LiAlH4 mit Hilfe von organischen Lösungsmitteln durchgeführt werden muss, kann LiAlH4-Pulver als Einweg-Speichermaterial für verschiedene Anwendungen dienen, beispielsweise für Wasserstoff/Brennstoffzellensysteme. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit LiAlH4 dotiert mit Übergangsmetall, mit dem Ziel maßgeschneiderte Dehydrierungseigenschaften zu erreichen. Die Kristallstruktur und die Morphologie der mit Übergangsmetallen dotierten LiAlH4-Pulver wurden mit Röntgenbeugung (XRD) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) charakterisiert. Weiterhin wurde der positive Effekt der Dotanden auf die reaktionsfördernde Dehydrierung von LiAlH4 systematisch mit Hilfe thermoanalytischer Methoden untersucht. Für jedes Übergangsmetall, welches in Form von Übergangsmetallchloriden vorlag, wurden drei Dotierungsmethoden mit niedrigem Energieeintrag (Kugelmahlen mit geringer Rotations-geschwindigkeit, manuelles Schleifen/Magnetrühren, Magnetrühren mit Ethylether) verglichen, um LiAlH4-Pulver mit einer maximalen Wasserstofffreisetzungsmenge in Kombination mit einer schnellen Dehydrierungskinetik zu erzielen. Die Dehydrierung des dotierten LiAlH4-Pulvers wurde unter isothermen Bedingungen bei 80°C und einem H2-Druck von 1 bar gemessen, was im Bereich der Betriebstemperatur von PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membran) liegt. Dadurch sollen Anwendungen anvisiert werden, bei denen die entstehende Abwärme der Brennstoffzelle genutzt wird, um die Dehydrierung des Wasserstoffspeichermaterials auszulösen. Zudem wurde das Dehydrierungsverhalten des dotierten LiAlH4 bis zu einigen Monaten kontrolliert, um die mittelfristige Haltbarkeit zu testen. Weiterhin wurde die Pelletierung des mit Übergangsmetallen dotierten LiAlH4 mit dem Ziel untersucht, eine hohe volumetrische Speicherkapazität zu erreichen. Der Einfluss des Pressdrucks, der Dehydrierungstemperatur und des H2-Gegendrucks auf die Dehydrierungseigenschaften der mit Übergangsmetallen dotierten LiAlH4-Presslinge wurde systematisch analysiert. Außerdem wird die Volumenveränderung durch die Dehydrierung und die Kurzzeitspeicherung der mit Übergangsmetallen dotierten LiAlH4-Presslinge im Hinblick auf praktische Anwendungen unter Nutzung der Brennstoffzelle diskutiert.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Inkorporation von Metall-/ Metalloxidnanopartikeln in organisch-anorganischen Hybridmaterialien, dargestellt durch Zwillingspolymerisation. Dabei wurden verschiedene Lösungsansätze bearbeitet. Zum einen wurden Metalcarboxylate oder Metallocene verwendet, zum anderen konnten durch Variation der anorganischen Komponente des Zwillingsmonomeres entsprechende Nanopartikel erzeugt werden. Um die Nanopartikel stabilisierenden Eigenschaften, der aus Zwillingspolymeren zugänglichen porösen Kohlenstoffmatrix zu erhöhen sollten mittels Zwillingspolymerisation N-Donoren eingeführt werden Neben der Inkorporation von Nanopartikeln wurden auch Silber und Goldnanopartikel in einer porösen Kohlenstoffmatrix verkapselt. Dabei wurde gezeigt, dass der Verwendete Templatdurchmesser einen entscheidenden Einfluss auf die späteren Hohlkugeln hat. Es konnte ebenso mit Hilfe von einfachen Benchmarkreaktionen die Zugänglichkeit und katalytische Aktivität der eingekapselten Nanopartikel nachgewiesen werden. Es wird gezeigt, dass durch Verwendung von Triphenylphosphan-stabilisierten Silber(I)-carboxylaten eine Funktionalisierung von Zwillingspolymeren möglich ist. Außerdem sind aus dem so modifizierten Hybridmaterialien nach Karbonisierung sowie dem Herauslösen der anorganischen SiO2-Komponete entsprechende mikroporöse, silberhaltige Kohlenstoffmaterialien zugänglich, während durch oxidativen Abbau der organischen Polymermatrix mesoporöse mit Ag-Nanopartikeln infiltrierte SiO2-Materialien dargestellt werden können. Es werden spezifische Oberflächen von 1034 m2/g (Kohlenstoff) und 666 m2/g (SiO2) erhalten. Das Wachstum der Silbernanopartikel konnte mittels Temperatur abhängiger Röntgenpulverdiffraktometrie beobachtet werden, und es wurde gezeigt, dass ein Wachstum erst während des Karbonisationsprozesses einsetzt. Mittels der HAADF-STEM-Technik wurden die gebildeten Nanopartikel im porösen Kohlenstoff bzw. SiO2 nachgewiesen, dabei liegen die Nanopartikel-durchmesser unterhalb von 5nm. Darüber hinaus konnte eine Vielzahl von neuen Zwillingsmonomeren dargestellt und charakterisiert werden. Darunter finden sich Zirkonium- und Hafnium-haltige Verbindungen, die analog der bekannten Si-Zwillingsmonomere ein ähnliches Polymerisationsverhalten zeigen und aus den resultierenden Hybridmaterialien poröse Oxide mit spezifischen Oberflächen unter 100 m2/g erhalten wurden. Eine Ausnahme bildet hierbei die SBS-Analoge Hafniumverbindung zur Phasenseparation während der Zwillingspolymerisation neigt, ebenso konnte für diese Verbindung kein vollständiger Umsatz erzielt werden. Durch Copolymerisation dieser neuen Zr- und Hf-haltigen Monomeren mit 2,2‘-Spirobi[4H-1,2,2-benzodioxasilin] wurden ZrO2- und HfO2-reiche SiO2-Mischoxide dargestellt. Dabei wurde das thermische Verhalten dieser Mischoxide mittels DSC weiter untersucht und es zeigte sich das ab 1000°C die ZrO2 sowie HfO2-Phasen beginnen zu Kristallisieren. Die so gebildeten hochkristallinen Nanopartikel konnten mittels TEM beobachtet werden. Ein weiteres erhitzen auf über 1200 °C führte dann noch zur Kristallisation der SiO2-Matrix. Ein weiteres Beispiel zur Synthese von oxidische Nanopartikeln mittels Zwillingspolymerisation wurde am ersten Metallocenhaltigen Zwillingsmonomer gezeigt. Dieses war aus der Reaktion von SiCl4 und Ferrocenylmethanol zugänglich. Neben der standardmäßigen Charakterisierung wurde auch die elektrochemischen Eigenschaften hin untersucht und dabei zeigte anders als es zu erwarten war eine Redox-Separation zwischen den einzelnen Ferrocengruppen. Weiterführende spektroelektrochemischen Experimente zeigten, dass diese Aufspaltung durch elektrostatische Abstoßung hervorgerufen wird. Das Zwillingspolymerisationsverhalten wurde zunächst mittels DSC untersucht und dabei konnte bei 210 °C eine exotherme Reaktion beobachtet werden, die mittels TG-MS als Kondensationsreaktion identifiziert wurde. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte das Ferrocen-haltige Zwillingsmonomer thermisch polymerisiert werden. HAADF-STEM Abbildungen zeigten den typischen Aufbau eines Zwillingspolymeres, jedoch ist die Anzahl der zu beobachtenden Siliziumdioxidnanocluster geringer als bei bekannten Si-basierten Monomeren. Durch Copolymerisation mit 2,2‘-Spirobi[4H-1,2,2-benzodioxasilin] konnte dieser Nachteil ausgeglichen werden und nach karbonisierung und herauslösen der SiO2-Komponente bzw. Oxidation wird poröser Kohlenstoff (858 m2/g) bzw. Siliziumdioxid (555 m2/g) erhalten. Die Natur der eingebettet Eisenhaltigen Nanopartikel konnte mithilfe von Mössbauerspektroskopie untersucht werden. Dabei wurde im Kohlenstoffmaterial eine Mischung aus Fe2O3 und Fe3C gefunden während im SiO2 aufgrund der oxidierenden Bedingungen, während der Darstellung, von Fe2O3-Nanopartikeln ausgegangen wird. Die durchgeführten Mössbauerexperimente lieferten auch Indizien dafür, dass die gebildeten Nanopartikel sehr klein sind, dies wurde auch mittels HAADF-STEM bestätigt, jedoch kann kein genauer Zahlenwert fehlerfrei angegeben werden. Die geringe Größe spiegelt sich auch im magnetischen Verhalten der porösen Materialien wieder so verhält sich das SiO2 Material superparamagnetisch während der Kohlenstoff paramagnetisch ist. Abschließend konnten Pyrrol-basierte Siliziumalkoxide durch die Reaktion von SiCl4 und den entsprechenden Alkoholen dargestellt werden. Das Zwillingspolymerisation verhalten wurde mittels DSC charakterisiert. Dabei konnten wie schon zuvor beschrieben exotherme Reaktionen detektiert werden und diese liegen deutlich unter den Initiierungstemperaturen der bekannten Zwillingsmonomere (140 °C für N-Methylpyrrol und 93 °C für Pyrrol). Mittels TG-MS konnten auch hier Kondensationsreaktionen identifiziert werden. Daraufhin wurde die Hybridmaterialien aus den thermisch induzierten Polymerisationsversuchen beider Verbindungen untersucht. Es zeigte sich, dass das N-Methyl substituiertes Monomer sich nur in schlechten Ausbeuten polymerisieren lässt während das Pyrrolderivat ausgezeichnete Ausbeuten liefert. Auch die spezifischen Oberflächen sind mit bis zu 633 m2/g beträchtlich höher als mit vergleichbaren und bekannten Zwillingsmonomeren erzielt werden können. Auch zeigen sich beim einfachen Pyrrolbasierten Monomer Unterschiede zwischen thermischer und säure initiierter Zwillingspolymerisation. Während im ersten Fall hauptsächlich das 2-5-Substituierte Polymer erhalten wird kommt es bei säure Initiierung auch zur Bildung einer N-Alkyliertenspezies. Aus den Dargestellten Hybridmaterialien konnten poröse Kohlenstoffe mit Stickstoffgehalten zwischen 5.0-9.1 % erhalten werden. Auch hier zeigte sich das die Kohlenstoffe abgeleitet von dem N-methylierten Pyrrol einen höheren Stickstoffgehalt aufweisen als die aus der unmethylierte Spezies.

Metal-organic framework (MOF) compounds as a new class of porous coordination polymers consists of metal ions or clusters linked by organic molecules. They have gained recent interest because of their large surface areas and huge variety of the porous network structures. They exhibit interesting adsorption properties and therefore are potential candidates for various technical applications. In this work, continuous wave (cw) and pulsed electron paramagnetic resonance (EPR) methods such as pulsed electron-nuclear double resonance (ENDOR) and hyperfine sublevel correlation (HYSCORE) spectroscopy are applied to study metal-organic frameworks with respect to different aspects of their properties: The host-guest interactions between Cu2+ ions in [Cu3(btc)2]n (HKUST-1; btc: 1,3,5-benzenetricaboxylate) with adsorbed methanol (CH3OH), 13C enriched carbon monoxide and dioxide (13CO, 13CO2), hydrogen (H2), deuterium (D2) and mixed isotopic HD. In [Cu3(btc)2]n, the Cu2+ ions are connected to binuclear Cu/Cu paddle wheel units. Since the Cu2+ ions in the [Cu3(btc)2]n are antiferromagnetically coupled, the new compound [Cu2.97Zn0.03(btc)2]n is synthesized by isomorphous substitution containing about 1 % paramagnetic Cu/Zn paddle wheel units. The modified Cu/Zn paddle wheel units prove to be a very sensitive probe for the interactions with the adsorbed molecules. Secondly, the exchange interactions of antiferromagnetically coupled Cu/Cu paddle wheel units as well as additional inter-paddle wheel exchange interactions between the Cu/Cu pairs are studied in [Cu2(bdc)2(dabco)]n, a layered MOF with 1,4-benzenedicaboxylate (bdc) as linker and 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (dabco) acting as pillars between the layers. In comparison to [Cu3(btc)2]n, the additional inter-paddle wheel exchange interactions are much easier disturbed by incorporation of Zn2+ ions into the framework structure. Third, the structural dynamics of the framework is investigated in the compound [Al(OH)(bdc)]n (MIL-53) which was isomorphously substituted by V(III)/V(IV) species. The 51V hyperfine structure revealed to be sensitive to the so-called breathing effect, a flexible structural behaviour upon guest adsorption/desorption or upon thermal treatment. It is shown that the aluminum ions can be substituted by vanadium but the octahedral coordination environment changes slightly to a pseudo-octahedral or a square-pyramidal coordination. Based on the hyperfine interactions between the electron spin and the nuclear spins of the surrounding atoms, structural models can be derived from orientation-selective measurements. In such a way, structural information of materials like powder samples and adsorbate complexes can be obtained which are hardly or even not accessible by other methods.

The chemical element carbon plays a key role in the 21st century. “The new carbon age” is associated with the global warming due to increasing carbon dioxide emissions. The latter are a major consequence of the continued combustion of fossil fuels for energy generation. However, carbon is also one key component to overcome these problems. Especially porous carbon materials are highly attractive for many environmentally relevant applications. These materials provide high specific surface area, high pore volume, thermal/chemical stability, and high electrical conductivity. They are promising candidates for the removal of carbon dioxide or other environmentally relevant gases from exhaust gas mixtures. Furthermore, porous carbons are used in electrochemical energy storage devices (e.g. batteries or electrochemical capacitors). The performance of the materials in these applications depends on their pore structure. Hence, precise control over the pore size and the pore geometry is important to achieve. Besides a high specific surface area (SSA) and a well-defined pore size, pore accessibility must be ensured because the surface must be completely available. If the porous carbons exhibit ink-bottle pores, the high surface area is useless because the guest species do not reach the pore interior. Therefore, carbon materials with hierarchical pore structure are attractive. They combine at least two different pore systems of different size which contribute with their individual advantages. While smaller pores provide large specific surface area, larger pores ensure efficient mass transport. Numerous methods for the targeted synthesis of carbide-derived carbon materials (CDCs) with hierarchical pore architectures were developed within this thesis (Figure 1). CDCs are produced by the extraction of metal- or semi-metal atoms from carbide precursors leading to the formation of a microporous carbon network with high specific surface area. PolyHIPE-CDCs with porosity on three hierarchy levels and total pore volumes as high as 8.5 cm3/g were prepared by a high internal phase emulsion technique. CO2 activation increases the SSA to values above 3100 m2/g. These materials are promising for the filtration of non-polar organic compounds from gas mixtures. CDC nanospheres with diameters below 200 nm were obtained from polycarbosilane-based miniemulsions. They show high capacitance of up to 175 F/g in symmetrical EDLCs in 1 M H2SO4 aqueous electrolyte. Besides such emulsion techniques, the hard-templating concept (also referred to as nanocasting) was presented as an efficient approach for the synthesis of CDC mesofoam powders and meso-macroporous CDC monoliths starting from silica templates and polycarbosilane precursors. As a wide range of pore sizes is approachable, the resulting materials are highly versatile in terms of application. Due to their high nanopore volume, well-defined mesopores and large SSA, they show outstanding properties as electrode materials in EDLCs or in Li-S batteries as well as high and rapid uptake in gas adsorption processes. CDC aerogels were produced by pyrolysis and high-temperature chlorine treatment of cross-linked polycarbosilane aerogels. These materials can be tailored for efficient CO2 adsorption and show outstanding performance in EDLC electrodes at high current densities of up to 100 A/g due to the very short electron diffusion pathways within the aerogel-type pore system. It was further shown that CDCs can be combined with mesopores by the sacrificial template method starting from PMMA particles as the pore-forming material. The use of highly toxic hydrofluoric acid for template removal and large amounts of organic solvents as typical for hard- and soft-templating approaches can be overcome. SSAs and total pore volumes of 2434 m2/g and 2.64 cm3/g are achieved ensuring good performance of PMMA-CDCs in Li-S batteries cathodes. Besides the characterization of CDCs in real energy storage devices and adsorption processes, their use as model substances in energy- and environmentally relevant applications was part of this thesis. The questions “How does it work?” and “What do we need?” must be clearly answered before any material can be tailored under the consideration of economic and ecological perspectives. The high potential of CDCs for this purpose was shown in this thesis. These carbons were used as model substances in combination with nuclear magnetic resonance (NMR) techniques to get a detailed understanding of the adsorption processes on porous carbon surfaces. However, such investigations require the use of model substances with a tailored and well-defined pore structure to clearly differentiate physical states of adsorbed species and to understand fundamental mechanisms. The characterization of the interaction of electrolyte molecules with the carbon surface was performed with solid-state NMR experiments. The materials were also studied in the high-pressure adsorption of 129Xe using an in-situ NMR technique. Both NMR studies enable the analysis of ions or gas atoms adsorbed on the carbon surface on an atomic level and experimentally demonstrate different strength of interaction with pores of variable size and connectivity. In addition, the novel InfraSORP technology was used for the investigation of the thermal response of CDCs and templated carbon and carbide materials during n-butane adsorption. These model systems lead to a more profound understanding of this technique for the rapid characterization of porous materials. The Kroll-Carbon (KC) concept is a highly attractive alternative for the synthesis of well-defined carbons on the large scale. In this technique, the porous materials are produced by the reductive carbochlorination reaction between oxidic nanoparticles and a surrounding carbon matrix. First KC materials were produced with high SSA close to 2000 m2/g and total pore volumes exceeding 3 cm3/g. This method was established with template particles of various dimensions as well as by using various types of oxides (silica, alumina, titania). Hence, porous carbon materials with various textural parameters are approachable. The first generation of KCs is promising for the use in Li-S battery cathodes and as electrode materials in EDLCs.

The present thesis is to be brought into line with the current need for alternative and sustainable approaches toward energy management and materials design. In this context, carbon in particular has become the material of choice in many fields such as energy conversion and storage. Herein, three main topics are covered: 1)An alternative synthesis strategy toward highly porous functional carbons with tunable porosity using ordinary salts as porogen (denoted as “salt templating”) 2)The one-pot synthesis of porous metal nitride containing functional carbon composites 3)The combination of both approaches, enabling the generation of highly porous composites with finely tunable properties All approaches have in common that they are based on the utilization of ionic liquids, salts which are liquid below 100 °C, as precursors. Just recently, ionic liquids were shown to be versatile precursors for the generation of heteroatom-doped carbons since the liquid state and a negligible vapor pressure are highly advantageous properties. However, in most cases the products do not possess any porosity which is essential for many applications. In the first part, “salt templating”, the utilization of salts as diverse and sustainable porogens, is introduced. Exemplarily shown for ionic liquid derived nitrogen- and nitrogen-boron-co-doped carbons, the control of the porosity and morphology on the nanometer scale by salt templating is presented. The studies within this thesis were conducted with the ionic liquids 1-Butyl-3-methyl-pyridinium dicyanamide (Bmp-dca), 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium dicyanamide (Emim-dca) and 1 Ethyl 3-methyl-imidazolium tetracyanoborate (Emim-tcb). The materials are generated through thermal treatment of precursor mixtures containing one of the ionic liquids and a porogen salt. By simple removal of the non-carbonizable template salt with water, functional graphitic carbons with pore sizes ranging from micro- to mesoporous and surface areas up to 2000 m2g-1 are obtained. The carbon morphologies, which presumably originate from different onsets of demixing, mainly depend on the nature of the porogen salt whereas the nature of the ionic liquid plays a minor role. Thus, a structural effect of the porogen salt rather than activation can be assumed. This offers an alternative to conventional activation and templating methods, enabling to avoid multiple-step and energy-consuming synthesis pathways as well as employment of hazardous chemicals for the template removal. The composition of the carbons can be altered via the heat-treatment procedure, thus at lower synthesis temperatures rather polymeric carbonaceous materials with a high degree of functional groups and high surface areas are accessible. First results suggest the suitability of the materials for CO2 utilization. In order to further illustrate the potential of ionic liquids as carbon precursors and to expand the class of carbons which can be obtained, the ionic liquid 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium thiocyanate (Emim-scn) is introduced for the generation of nitrogen-sulfur-co-doped carbons in combination with the already studied ionic liquids Bmp-dca and Emim-dca. Here, the salt templating approach should also be applicable eventually further illustrating the potential of salt templating, too. In the second part, a one-pot and template-free synthesis approach toward inherently porous metal nitride nanoparticle containing nitrogen-doped carbon composites is presented. Since ionic liquids also offer outstanding solubility properties, the materials can be generated through the carbonization of homogeneous solutions of an ionic liquid acting as nitrogen as well as carbon source and the respective metal precursor. The metal content and surface area are easily tunable via the initial metal precursor amount. Furthermore, it is also possible to synthesize composites with ternary nitride nanoparticles whose composition is adjustable by the metal ratio in the precursor solution. Finally, both approaches are combined into salt templating of the one-pot composites. This opens the way to the one-step synthesis of composites with tunable composition, particle size as well as precisely controllable porosity and morphology. Thereby, common synthesis strategies where the product composition is often negatively affected by the template removal procedure can be avoided. The composites are further shown to be suitable as electrodes for supercapacitors. Here, different properties such as porosity, metal content and particle size are investigated and discussed with respect to their influence on the energy storage performance. Because a variety of ionic liquids, metal precursors and salts can be combined and a simple closed-loop process including salt recycling is imaginable, the approaches present a promising platform toward sustainable materials design. / Die vorliegende Arbeit basiert auf der Notwendigkeit für eine alternative und nachhaltige Energiewirtschaft sowie alternativer Herstellungsmethoden der damit verbundenen Materialien. Hierbei kommt besonders Kohlenstoffen und kohlenstoffbasierten Systemen eine hohe Bedeutung zu. Im Rahmen der Dissertation wurden drei Ansätze verfolgt, die zu der Entwicklung alternativer Strategien zur Herstellung poröser Heteroatom-enthaltender Kohlenstoffe und deren Komposite beitragen. Die Materialien wurden des Weiteren für die CO2 Nutzung sowie Energiespeicherung in Form von Superkondensatoren getestet. Allen Materialien ist gemeinsam, dass sie ausgehend von ionischen Flüssigkeiten, Salze mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 100 °C, als Kohlenstoffvorstufe durch Hochtemperaturverfahren hergestellt wurden. Im ersten Teil wird ein alternatives und nachhaltiges Verfahren zur Herstellung hochporöser Stickstoff und Stickstoff-Bor-haltiger Kohlenstoffe vorgestellt. Bei dieser als „Salztemplatierung“ bezeichneten Methode werden herkömmliche Salze als Porogen verwendet. Damit sind sehr hohe Oberflächen erreichbar, die neben der Porengröße und dem Porenvolumen durch die Variation der Salzspezies und Salzmenge einstellbar sind. Dies bietet gegenüber herkömmlichen Templatierungsverfahren den Vorteil, dass das Salz nach erfolgter Karbonisierung der ionischen Flüssigkeit in Anwesenheit der nicht karbonisierbaren Salzspezies einfach mit Wasser auswaschbar ist. Hierbei ist ein Recyclingprozess denkbar. Bei hohen Synthesetemperaturen werden graphitische, bei niedrigen hochfunktionalisierte, polymerartige Produkte erhalten. Letztere erwiesen sich als vielversprechende Materialien für die CO2 Nutzung. Unter Verwendung einer bisher nicht eingesetzten ionische Flüssigkeit konnte weiterhin die Einführung von Schwefel als Heteroatom ermöglicht werden. Im zweiten Teil wird eine Templat-freie Einschrittsynthese von porösen Kompositen aus Metallnitrid Nanopartikeln und Stickstoff-dotiertem Kohlenstoff vorgestellt. Die Materialien werden ausgehend von einer Lösung aus einer ionischen Flüssigkeit und einem Metallvorläufer hergestellt, wobei die ionische Flüssigkeit sowohl als Kohlenstoffvorläufer als auch als Stickstoffquelle für die Metallnitride dient. Der Metallgehalt, das Metallverhältnis in ternären Nitriden und die Oberfläche sind über den Anteil des Metallvorläufers einstellbar. Schließlich werden beide Ansätze zur Salztemplatierung von den Kompositen kombiniert. Dadurch wird die Einschrittsynthese von Kompositen mit einstellbarer Oberfläche, Zusammensetzung, Partikelgröße und Morphologie ermöglicht. Diese Materialien wurden schließlich als Elektroden für Superkondensatoren getestet und der Einfluss verschiedener Parameter auf die Leistungsfähigkeit untersucht. Aufgrund verschiedener Kombinationsmöglichkeiten von ionischen Flüssigkeiten, Metallvorläufern und Salzen, stellen die hier präsentierten Ansätze eine vielversprechende Plattform für die nachhaltige Materialsynthese dar.

A NMR study of the structure-dynamics relationships in heterogeneous materials is presented. In the first part, transport in soft-matter systems is studied using the pulsed field gradient NMR technique (PFG NMR). The molecular crowding effect in biological matter has been addressed using polymer solutions as model systems. By performing ensemble-based diffusion studies, the earlier obtained data on anomalous diffusion have been complemented. The transition to normal diffusion on a larger time scale has been shown. Taking advantages of the NMR approach, transport properties of microemulsions consisting of micellar colloids dissolved in liquid crystals have been investigated. The self-diffusivities measured under equilibrium conditions have shown weak correlations with microscopic ordering and macroscopic phase transitions occurring in the systems under study. The formation of micelles is shown to be decisive for macroscopic separation at the isotropic-nematic transition. The second part of the thesis covers heterogeneous effects in diffusion for fluids in porous solids, as probed using a combination of NMR diffusometry and structure characterization methods. Ionic liquids have been investigated, revealing a complex behavior under confinement. The attempts to correlate the observed characteristics of the ionic liquids with their internal chemical structure were undertaken. Finally, the series of nanoporous glasses with tunable pore structure characteristics were studied. Strong correlations between their structure and the preparation conditions as well as between the resulting transport properties have been shown.