Zementklinker ist der Hauptbestandteil von Zement und verbraucht zu dessen Herstellung signifikante Mengen von natürlichen Ressourcen und trägt gleichzeitig zu seiner sehr ungünstigen Treibhausgasbilanz bei. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Zementersatzstoffe mit spezifischen Eigenschaften aus Abfallstoffen wie Kieswaschschlämmen, Strassenwaschschlämmen und Gipskartonplatten ohne Leistungseinbußen auf Produktseite, bei geringeren Temperaturen und geringerer CO2 Emission hergestellt werden können. Entsprechend den angestrebten Eigenschaften solcher zum Teil anthropogener Zementbestandteile wurden lokal verfügbare geeignete Abfallstoffe ausgewählt und thermisch aktiviert. Eine industriell anwendbare Methode zur Aktivierung solcher Stoffe bei Temperaturen von 700 °C – 850 °C wurde entwickelt und patentiert. Es basiert auf einem neu entwickelten Trocknungsverfahren und der Kombination von zwei Produktionslinien, um durch die Verknüpfung der Gasströme beider Systeme eine energieeffiziente thermische Behandlung von Abfallstoffen zu ermöglichen sowie auf umweltfreundliche Weise einen Zementersatzstoff herzustellen.:Table of Contents List of Tables List of Figures List of Abbreviations Glossary Chapter 1: Introduction 1.1 Motivation 1.2 Research hypotheses and objectives 1.3 Research methodology 1.4 Thesis outline Chapter 2: State of the art in SCM production 2.1 Supplementary cementitious materials 2.2 Classification of SCMs 2.2.1 Classification according to origin 2.2.2 Classification according to reaction behaviour 2.3 Chemical composition of SCMs 2.4 Formation of hydraulic or pozzolanic minerals in thermal processes 2.4.1 Cement clinker 2.4.2 Burnt oil shale 2.4.3 Fly ash 2.4.4 Calcined clay 2.5 Performance of composite cements 2.6 Calcining technologies 2.6.1 Flash calciner 2.6.2 Rotary calciner 2.7 Comparison of process technologies 2.8 Summary of Chapter 2 Chapter 3: Alternative SCMs and a new method for activation 3.1 Introduction 3.2 Target of alternative SCM 3.3 Waste materials 3.3.1 Aggregate washing sludge 3.3.2 Road cleaning sludge 3.3.3 Deconstruction gypsum 3.4 Producing alternative SCMs 3.5 Thermal activation of alternative SCMs 3.6 Limitations in current calcining technology 3.6.1 Difficult emission control 3.6.1.1 Particulate emission 3.6.1.2 Gaseous emission 3.6.2 Challenging material preparation 3.6.3 Demand for noble fuels 3.6.4 Difficult colour control 3.6.5 Strict temperature control 3.6.6 CO2 footprint of calciners 3.7 Proposed new method of calcination 3.7.1 Feed material handling 3.7.2 Thermal heat-exchange system 3.7.3 Clay calciner design 3.7.4 Grinding 3.8 Summary Chapter 3 Chapter 4: Theoretical Considerations 4.1 Material considerations 4.1.1 Composition of alternative SCM 4.1.2 Anticipated products and characteristics 4.2 Process considerations 4.2.1 System capacity 4.2.2 Material characteristics 4.2.3 Material receiving, crushing and handling 4.2.4 Thermodynamic modelling 4.2.4.1 Mass balance 4.2.4.2 Drying and cooling heat balance 4.2.4.3 Calcination heat balance 4.2.4.4 Gas balance 4.2.4.5 Impact on clinker kiln line 4.2.4.6 Impact of calcite on the gas balance 4.2.5 Calciner design 4.2.6 Colour control 4.2.7 Emission prediction 4.2.7.1 Emission during drying 4.2.7.2 Emission during calcination 4.2.8 CO2 footprint of produced material 4.2.9 Grinding requirements 4.3 Summary of Chapter 4 Chapter 5: Experimental tests and proof of concept 5.1 Introduction 5.2 Sampling and characterization 5.2.1 Kaolinitic AWS from France 5.2.2 Non-kaolinitic AWS from Switzerland 5.2.3 Road cleaning sludges from Switzerland 5.2.4 Deconstruction gypsum from Switzerland 5.2.5 Sample preparation and shipping 5.3 Drying screw conveyor testing 5.4 Calcination testing 5.4.1 Mineralogy of activated products 5.4.1.1 Non-kaolinitic SCM 5.4.1.2 Kaolinitic AWS from France 5.4.2 Colour 5.5 Crushing tests 5.6 Grinding tests 5.7 Mortar compressive strength testing 5.8 Water demand testing 5.9 Summary of Chapter 5 Chapter 6: Experimental results 6.1 Characteristics of activated materials 6.2 Concrete performance and colour 6.2.1 Thermally activated kaolinitic AWS from France 6.2.2 Thermally activated non-kaolinitic alternative SCM from Switzerland 6.3 Equipment dimensioning 6.3.1 Process mass flow 6.3.2 Heat-exchanging screws and thermal oil system 6.3.3 Rotary calciner dimensioning 6.3.4 Ball mill dimensioning 6.4 CO2 reduction 6.5 Summary of Chapter 6 Chapter 7: Conclusion and outlook 7.1 Conclusions 7.2 Outlook. Literature

Hafnium oxide is widely used for resistive switching devices, and recently it has been discovered that ferroelectricity can be established in (un-)doped hafnium oxide as well. Previous studies showed that both switching mechanisms are influenced by oxygen vacancies. For resistive switching, typically amorphous oxide layers with an asymmetric electrode configuration are used to create a gradient of oxygen vacancies. On the other hand, ferroelectric switching is performed by having symmetric electrodes and requires crystalline structures. The coexistence of both effects has recently been demonstrated. In this work, a detailed analysis of the reversible interplay of both switching mechanisms within a single capacitor cell is investigated. First, ferroelectric switching cycles were applied in order to drive the sample into the fatigued stage characterized by increased concentration of oxygen vacancies in the oxide layer. Afterwards, a forming step that is typical for the resistive switching devices was utilized to achieve a soft breakdown. In the next step, twofold alternation between the high and low resistance state is applied to demonstrate the resistive switching behavior of the device. Having the sample in the high resistance state with a ruptured filament, ferroelectric switching behavior is again shown within the same stack. Interestingly, the same endurance as before was observed without a hard breakdown of the device. Therefore, an effective sequence of ferroelectric—resistive—ferroelectric switching is realized. Additionally, the dependence of the forming, set, and reset voltage on the ferroelectric cycling stage (pristine, woken-up and fatigued) is analyzed giving insight into the physical device operation.

Transient negative capacitance effects in epitaxial ferroelectric Pb(Zr₀.₂Ti₀.₈)O₃ capacitors are investigated with a focus on the dynamical switching behavior governed by domain nucleation and growth. Voltage pulses are applied to a series connection of the ferroelectric capacitor and a resistor to directly measure the ferroelectric negative capacitance during switching. A time-dependent Ginzburg-Landau approach is used to investigate the underlying domain dynamics. The transient negative capacitance is shown to originate from reverse domain nucleation and unrestricted domain growth. However, with the onset of domain coalescence, the capacitance becomes positive again. The persistence of the negative capacitance state is therefore limited by the speed of domain wall motion. By changing the applied electric field, capacitor area or external resistance, this domain wall velocity can be varied predictably over several orders of magnitude. Additionally, detailed insights into the intrinsic material properties of the ferroelectric are obtainable through these measurements. A new method for reliable extraction of the average negative capacitance of the ferroelectric is presented. Furthermore, a simple analytical model is developed, which accurately describes the negative capacitance transient time as a function of the material properties and the experimental boundary conditions.

Ferroelektrische Materialien sind ein Schlüsselbereich der aktuellen Forschung und weisen zahlreiche wichtige technologische Anwendungen auf. Diese Klasse kristalliner Feststoffe zeichnet sich üblicherweise durch eine Vielzahl von para- und ferroelektrischen Phasen auf. Letztere sind dadurch charakterisiert, dass sie auch in Abwesenheit eines äußeren Feldes eine spontane elektrische Polarisation aufweisen. Diese Eigenschaft hat ihren Ursprung in der besonderen elektronischen Struktur ferroelektrischer Materialien, die sich aus einer großen Vielfalt von Gittergeometrien und mikroskopischen Ladungsdichteverteilungen ergibt. Auf atomarer Ebene sind die komplexen Eigenschaften der Ferroelektrika bis jetzt jedoch nur teilweise verstanden. Insbesondere die Verbindung zwischen mikroskopischen elektronischen Ladungsverteilungen und der daraus resultierenden makroskopischen elektrischen Polarisation wirft eine entscheidende, momentan noch offene Frage auf. Die Ladungsdynamik und ihr Zusammenspiel mit Gitteranregungen, insbesondere Softmoden, sind auf atomaren Längen- und Zeitskalen ungelöst. In dieser Arbeit wird das Potenzial der Femtosekunden-Röntgenpulverbeugung aufgezeigt, diese Frage zu adressieren. Diese Methode ermöglicht im Rahmen dieser Arbeit die Bestimmung transienter elektronischer Ladungsdichtekarten für das prototypische ferroelektrische Ammoniumsulfat direkt unterhalb seiner Curie-Temperatur nach einer optischen Anregung. Die Analyse der experimentellen Daten deckte eine bislang unbekannte niederfrequente Gitteroszillation mit einer Periode von 3 ps und nukleare Verschiebungen im Sub-Picometer-Bereich auf, die Ladungsverschiebungen auf einer 100-pm-Längenskala induzieren. Dies sind klare Merkmale, die auf die Anregung einer Softmode hinweisen. Schließlich wird zum ersten Mal die Dynamik der makroskopischen Polarisationsänderung abgeleitet, die eine oszillatorische Umkehr der Polarität aufweist und für ultraschnelle Schaltanwendungen geeignet ist. / Ferroelectrics are an area of current research, with important technological applications such as ferroelectric random access memories, infrared cameras or medical ultrasound equipment. This class of crystalline solids do not commonly only exhibit a ferroelectric phase, but rather go through an abundant variety of para- and ferroelectric phases that depend on the temperature. The ferroelectric phases present a spontaneous electric polarization even in the absence of an external field, in contrast to paraelectric phases and also exhibit a hysteresis loop in analogy to ferromagnets. This macroscopic feature has its origin in their peculiar electronic structure, which results from a rich diversity of lattice geometries and complex microscopic charge distributions. At the atomic level, however, the intricate characteristics of ferroelectrics are only partially understood. The link between microscopic charge distributions and macroscopic electric polarization poses a crucial question to be solved. The interplay of charge dynamics and lattice excitations are still unresolved on atomic length and time scales. In this thesis, femtosecond X-Ray powder diffraction is used to find solutions for these unanswered questions. This method allows for the experimental determination of time-resolved charge density maps from where the structural, charge and polarization dynamics are can be derived. These maps are determined for the photoexcited ferroelectric ammonium sulphate just below its Curie temperature. Data analysis has revealed a newly discovered low frequency lattice oscillation with a 3ps period and sub-picometer nuclear displacements that is related to periodic charge relocations on a 100pm length scale, which is a feature indicative of soft mode behavior. Finally, the dynamics of the variation of polarization are derived for the first time, showing an oscillatory reversal of polarity that holds potential for ultrafast switching applications.

Lignin als nachwachsendes, erneuerbares Biopolymer, welches als Nebenprodukt in der Zellstoffindustrie anfällt, besitzt das Potenzial Materialien auf der Basis von endlichen, fossilen Rohstoffen ganz oder teilweise zu ersetzen. Ziel der Arbeit war es Adsorptionsmaterialien auf der Basis von Lignin in Form von Hydrogelen herzustellen und ihre Adsorptionseigenschaften zu untersuchen. Hierfür wurden zunächst verschiedene technische Lignine (Kraftlignine, Ligninsulfonate und Sodalignine) eingehend charakterisiert, zu Hydrogelen vernetzt und die Adsorptionseigenschaften an den Metallionen Cu(II), Ni(II) und Zn(II) untersucht. Weiterhin wurde der Einfluss der Fraktionierung des Lignins auf die Adsorptionseigenschaften der resultierenden Ligninhydrogele untersucht. Hierfür wurde das Kraftlignin mittels Aceton : Wassermischungen über die unterschiedliche Löslichkeit der Fraktionen aufgetrennt. Die Fraktionierung des Ligninsulfonates erfolge über die Membranfiltration, bei der ein Reinigungsschritt mit kleinem Porendurchmesser vorausgesetzt wurde. Durch chemische Modifizierung des Ausgangslignins konnten die Adsorptionseigenschaften des Ligninhydrogels verändert werden. Hierfür wurden drei verschiedene Synthesewege durchgeführt: Die Einbringung von Dihydroxybenzol über eine sauerkatalysierte Substitutionsreaktion, das Anbinden von Iminodiessigsäure über die Mannich-Reaktion und mittels Epichlorhydrin, sowie die Einbringung von stickstofffunktionellen Gruppen mittels oxidativer Ammonolyse. Ferner wurden weitere Eigenschaften wie die Zyklenstabilität und Selektivität der Ligninhydrogele untersucht. Die während der Adsorption ablaufenden die Schrumpf- und Quelleigenschaften des Hydrogels konnten ausgenutzt werden, um ein Konzept für ein Sensorsystem zu entwickeln. Dazu wurde das Ligninhydrogel an kovalent an einen ITO-Träger angebunden und die Schrumpf- und Quellprozesse mittels QCM am Beispiel von verschieden konzentrieren Magnesium- und Natriumionenlösungen untersucht. An Aerogelen, welche durch Gefriertrocknung aus dem Kraftligninhydrogel hergestellt wurden, konnten weiterhin die Adsorption von Rohöl gezeigt werden. Außerdem wurde eine Maßstabsvergrößerung der Hydrogelsynthese von 5 g auf 1 kg durchgeführt.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Formelzeichenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Motivation und Zielstellung 2 Theorie 2.1 Lignin 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Isolierungsmethoden 2.1.2.1 Kraftaufschluss 2.1.2.2 Sulfitaufschluss 2.1.2.3 Sodaaufschluss bzw. Alkaliaufschluss 2.1.3 Anwendungspotenzial des Lignins 2.1.4 Fraktionierung des Lignins 2.1.5 Modifizierung des Lignins 2.2 Hydrogele 2.2.1 Ligninhydrogele 2.2.2 Anwendung von Ligninhydrogelen 2.3 Adsorption 2.3.1 Adsorptionsparameter 2.3.2 Ionenaustauscher 2.3.3 Selektivität 2.4 Metallionen 2.4.1 Toxikologie und Abscheidung von Schwermetallen 2.4.2 Adsorption von Metallionen an Materialien auf Ligninbasis 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Hydrogele aus Ligninen unterschiedlichen Ursprungs 3.1.1 Charakterisierung der Lignine 3.1.2 Synthese und Charakterisierung der Ligninhydrogele 3.1.3 Vergleich der Adsorptionskapazitäten der Ligninhydrogele 3.1.4 Fazit zur Hydrogelsynthese aus unterschiedlichen Ligninen 3.2 Adsorptionseigenschaften der Ligninhydrogele am Beispiel von Ca-HG und LS-HG 3.2.1 Bestimmung thermodynamische Kenngrößen 3.2.2 Bestimmung kinetische Kenngrößen 3.2.3 Äußere Einflussfaktoren 3.2.4 Fazit zur Untersuchung der Adsorptionseigenschaften 3.3 Fraktionierung ausgewählter Lignine 3.3.1 Fraktionierung des Kraftlignins KL mittels Lösungsmittelgradienten 3.3.1.1 Charakterisierung der fraktionierten Lignine 3.3.1.2 Synthese und Charakterisierung der fraktionierten Ligninhydrogele 3.3.1.3 Zwischenfazit Fraktionierung von KL 3.3.2 Fraktionierung des Ligninsulfonates LSE mittels Membranfiltration 3.3.2.1 Entfernung von Zuckern und schwefliger Säure aus der Dicklauge 3.3.2.2 Charakterisierung der fraktionierten Lignine 3.3.2.3 Charakterisierung und Vergleich der Adsorptionskapazitäten der fraktionierten Ligninhydrogele 3.3.2.4 Zwischenfazit zur Fraktionierung von LSE 3.3.3 Fazit zur Fraktionierung von Lignin 3.4 Chemische Modifizierung der Kraftlignine 3.4.1 Modifizierung mit Dihydroxybenzol 3.4.1.1 Charakterisierung der modifizierten Ligninhydrogele 3.4.1.2 Vergleich der Ligninhydrogele aus fraktioniertem Kraftlignin aus KL 3.4.1.3 Fazit der Modifizierung mit Dihydroxybenzenen 3.4.2 Modifizierung durch oxidative Ammonolyse 3.4.2.1 Charakterisierung der modifizierten Lignine 3.4.2.2 Charakterisierung und Vergleich der Adsorptionskapazitäten der modifizierten Ligninhydrogele 3.4.2.3 Fazit der Modifizierung mittels oxidativer Ammonolyse 3.4.3 Modifizierung mit Iminodiessigsäure 3.4.3.1 Charakterisierung der modifizierten Lignine 3.4.3.2 Charakterisierung und Vergleich der Adsorptionskapazitäten der modifizierten Ligninhydrogele 3.4.3.3 Fazit der Modifizierung mittels Iminodiessigsäure 3.5 Vergleich der Aufnahmekapazitäten der hergestellten Ligninhydrogele mit der Literatur 3.6 Anwendungsorientierte Untersuchungen 3.6.1 Ligninhydrogele als Adsorber für die Sorption von Metallionen aus wässrigen Medien 3.6.1.1 Zyklenstabilität des Säulenmaterials 3.6.1.2 Selektive Adsorption von Cu(II)-Ionen 3.6.1.3 Fazit aus der Verwendung von Ligninhydrogelen als Adsorber für Metallionen aus wässrigen Lösungen 3.6.2 Ligninhydrogele für Sensoranwendungen 3.6.2.1 Anbindung des Ligninhydrogels an einen Glasträger 3.6.2.2 Untersuchung des Ansprechverhalten des Ligninhydrogelsensors 3.6.2.3 Fazit der Verwendung von Ligninhydrogelen als Sensormaterial 3.6.3 Aerogele aus Kraftligninhydrogelen für die Sorption von Ölen 3.6.3.1 Synthese und Charakterisierung des Aerogels 3.6.3.2 Vergleich mit anderen Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen 3.6.3.3 Fazit der Verwendung von Aerogelen aus Ligninhydrogelen für die Adsorption von Öl 3.6.4 Upscaling der Hydrogelsynthese 3.6.4.1 Planung und Aufbau der Syntheseanlage 3.6.4.2 Überprüfung der Anforderungen der Hydrogelsyntheseanlage 3.6.4.3 Fazit zum Upscaling der Hydrogelsynthese 4 Zusammenfassung und Ausblick 5 Experimentalteil 5.1 Chemikalien und Materialien 5.2 Lignine und Fraktionierung des Lignins 5.3 Modifizierung des Lignins 5.4 Synthese der Hydrogele, Aerogele und Xerogele 5.5 Anbindung des Ligninsulfonates an den Glasträger 5.6 Synthese von Referenzmaterialien 5.7 Vorversuche für die Herstellung der Hydrogelsyntheseanlage 5.8 Adsorptionsversuche 5.9 Analytische Methoden 6 Anhang 7 Literatur

The properties of ferroelectric materials, which were discovered almost a century ago¹ , have led to a huge range of applications, such as digital information storage² , pyroelectric energy conversion³ and neuromorphic computing⁴⁻⁵ . Recently, it was shown that ferroelectrics can have negative capacitance⁶⁻¹¹, which could improve the energy efficiency of conventional electronics beyond fundamental limits¹²⁻¹⁴. In Landau–Ginzburg–Devonshire theory¹⁵⁻¹⁷, this negative capacitance is directly related to the doublewell shape of the ferroelectric polarization–energy landscape, which was thought for more than 70 years to be inaccessible to experiments¹⁸. Here we report electrical measurements of the intrinsic double-well energy landscape in a thin layer of ferroelectric Hf₀.₅Zr₀.₅O₂. To achieve this, we integrated the ferroelectric into a heterostructure capacitor with a second dielectric layer to prevent immediate screening of polarization charges during switching. These results show that negative capacitance has its origin in the energy barrier in a double-well landscape. Furthermore, we demonstrate that ferroelectric negative capacitance can be fast and hysteresis-free, which is important for prospective applications¹⁹. In addition, the Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ used in this work is currently the most industry-relevant ferroelectric material, because both HfO₂ and ZrO₂ thin films are already used in everyday electronics²⁰. This could lead to fast adoption of negative capacitance effects in future products with markedly improved energy efficiency.

Im Zentrum dieser Dissertation stehen die Systeme von Platin und Palladium beladenen Indiumoxid-Aerogelen hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit als Katalysatoren für die Methanol-Dampfreformierung. Diese Reaktion ermöglicht aus der Umsetzung von Wasser und Methanol die Produktion von Wasserstoff für Brennstoffzellen und kann so einen Beitrag für eine nachhaltigere Energiewirtschaft leisten. Methanol reiht sich in eine Kandidatenliste der aussichtsreichsten Speichermoleküle für elektrische Energie in chemischen Bindungen ein. Im ersten Schritt wird dazu zunächst Wasserstoff aus Stromüberschüssen von erneuerbaren Energien gewonnen. Eine effiziente Einspeicherung und Freisetzung von Wasserstoff in Methanol im Kreislauf wird jedoch nur in Kombination mit Hochleistungskatalysatoren vorstellbar. Diese unterdrücken Nebenprodukte, beeinflussen das Reaktionsgleichgewicht und können so die gewünschten Reaktionen effizienter machen. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit die Konzepte des Einsatzes von Aerogelkatalysatoren beleuchtet und diskutiert. Zunächst werden Aerogele untersucht, welche über eine Epoxid-assistierte Gelierung synthethisiert wurden. Dem gegenüber gestellt werden Aerogele, welche über eine neu entwickelte wässrige Syntheseroute hergestellt werden konnten. Über die Epoxidmethode und die wässrige Synthese konnten Aerogele mit Stegbreiten um 5 nm und Oberflächen bis zu 200 m2 g-1 hergestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass über die wässrige Synthese reine Indiumoxid Aerogele mit vergleichbaren Eigenschaften erzeugt werden können. Am Beispiel der wässrigen Synthese werden anschließend die Ergebnisse zum Experiment Design über Bayesianische Optimierung erläutert. Mittels dieser Maschinen gestützten Methodik konnte das Verständnis von Einflussparameter wie Salzen, Temperatur, Nichtlösungsmitteln und Stabilistoren weiter gefördert werden. Ebenso konnten Einblicke in diese noch jüngere Methodik der Experimentplanung gewonnen werden. Die Einführung von Trägermaterialien wurde in dieser Arbeit am Beispiel von meso- und makroporösem Silica gezeigt. Zur Beladung wurden auch hier neue Wege in der Methode über Aggregate aus Zinkoxid und Palladium Nanopartikeln eingeschlagen. Weiterhin haben Trägermaterialien ebenfalls das Potenzial den finalen Katalysatorpreis zu senken und die Temperaturstabilität bei gleichzeitigem Erhalten von spezifischen Oberflächen von bis zu 450 m2 g-1 weiter zu erhöhen. Obwohl Aerogele nun schon länger als Wundermaterialien gelten, wurde der breite Einsatz in größerem Maßstabe durch die aufwendige Trocknungstechnik eingeschränkt. Dieser Sachverhalt wird untersucht, indem unterschiedliche Trocknungstechniken gegenübergestellt werden, um deren Praktikabilität und Einfluss auf Platin beladene Indiumoxid-Aerogele zu diskutieren. Über die Versuche von verschiedenen Trocknungsmethoden konnte gezeigt werden, dass die Trocknung über Verdampfung bei Umgebungsbedingungen mit der klassischen superkritischen Trocknung konkurrieren kann. Für eine Katalysatorentwicklung bedeutet dies eine verbesserte Wirtschaftlichkeit, sowie eine größere Skalierbarkeit im Trocknungsschritt, welcher ansonsten durch Autoklaventechnik begrenzt ist. Da die Möglichkeiten der Trocknung jedoch im Zusammenhang mit dem Material des Gels und der Stabilität dessen befinden, kann daraus kein universeller Schluss für andere Gelsysteme gezogen werden. Zum Einsatz als Katalysator bedarf es schließlich noch einiger Vorbehandlungsschritte, welche bezüglich reiner Indiumoxid-Aerogele und im Kontext der mit Platin und Palladium beladenen Indiumoxid-Aerogele detaillierter beleuchtet werden. Dabei wird hauptsächlich der Einfluss der Temperatur in Kombination mit oxidativer oder reduktiver Atmosphäre auf die Struktur und Oberfläche der Proben untersucht. Final wird der Einsatz der Aerogelkatalysatoren im Reaktor der Methanol-Dampfreformierung beleuchtet, welcher von Kooperationspartnern des Instituts „Materialien für innovative Energiekonzepte“ unter der Leitung von Prof. Marc Armbrüster der TU Chemnitz durchgeführt wurde. In der Temperaturbehandlung und Aktivierung und Katalyse der Aerogele durchlaufen diese Veränderungen der Netzwerkstruktur in Form von Stegbreitenvergrößerung begleitet von einer Reduktion der spezifischen Oberfläche. Die Nanoskaligkeit der betrachteten Aerogele bleibt dabei jedoch erhalten und es konnte gezeigt werden, dass die fragilen Aerogele Reaktorbedingungen standhalten können und nicht zum massiven Festkörper kollabieren. Das System InPt/In2O3 demonstriert die bisher jemals höchste gemessene Selektivität bei gleichzeitig hoher Aktivität des Katalysators in der Methanol-Dampfreformierung zum Stand dieser Arbeit. Ermöglicht wird dies durch die Verknüpfung der intrinsischen Material- mit den Aerogeleigenschaften. Das Zusammenspiel einer großen Oberfläche und der Nanoskaligkeit ermöglicht eine große Querschnittsfläche der intermetallischen Phase mit dem Oxid.:Inhaltsverzeichnis I Abkürzungen V Einleitung 1 1 Stand in der Literatur 3 1.1 Methanol-Dampfreformierung und Energiespeicherung 3 1.2 Metalle auf Trägeroxiden 4 1.3 Trocknung von nassen Gelen 7 1.4 Maschinelles Lernen und Experimentplanung 9 2 Experimentalteil 15 2.1 Epoxidmethode 15 2.1.1 Standardsynthese Indiumoxid-Aerogel 15 2.1.2 Synthese von reinen Indiumoxid-Aerogel Monolithen 15 2.1.3 Synthese von 10 m% Pt beladenen Indiumoxidgelen 15 2.1.4 Synthese von 10 m% Pd beladenen Indiumoxidgelen 16 2.2 Wässrige Synthese 16 2.2.1 Wässriges Indiumhydroxid Sol 16 2.3 Maschinelles Lernen 17 2.3.1 Optimierung nach Gelvolumen 17 2.4 Temperaturbehandlung 17 2.5 Trägermaterialien 18 2.5.1 Silica mit Makroporen durch Emulsionstemplat 18 2.5.2 Synthese von Polystyrolmikrosphären 18 2.5.3 Silica mit Makroporen durch Polystyroltemplat JK 019 18 2.5.4 Zinkoxid Sol 19 2.5.5 Pd/ZnO Aggregate 19 2.6 Trocknungsmethoden 19 2.6.1 Überkritische Trocknung aus reinem CO2 19 2.6.2 Überkritische Trocknung aus CO2- Ethanolgemisch 20 2.6.3 Gefriertrocknung 20 2.6.4 Trocknung unter Atmosphärendruck 20 2.6.5 Trocknung unter Atmosphärendruck mit NOVEC 7000 21 2.7 Aktivierung der Aerogelkatalysatoren und MSR Katalyse 21 3 Ergebnisse und Diskussion 22 3.1 Rückblick auf die eigene Masterarbeit 22 3.1.1 Synthesen über Epoxidmethode 22 3.1.2 Ansätze in der wässrigen Synthese 24 3.2 Fortsetzung der wässrigen Synthese 26 3.3 Wässrige Synthese und Experimentplanung über Maschinelles Lernen 29 3.3.1 Erste Erfahrung mit Experimentdesign durch Bayesianische Optimierung 29 3.3.2 Beobachtungen und Schlussfolgerungen aus der ersten Anwendung von EDBO 30 3.3.3 Optimierung nach Gelvolumen der Solvogele 31 3.4 Inerte Trägermaterialien 42 3.4.1 Silica Träger 42 3.4.2 Beladung der Trägermaterialien 48 3.5 Trocknungsmethoden 54 3.6 Temperaturverhalten der Oberfläche und Morphologie 65 3.6.1 Stegbreitenvergrößerung über die Temperatur 65 3.6.2 ATR-FT-IR Untersuchungen 70 3.6.3 Kristallinität der getemperten Proben 72 3.7 Ergebnisse in der Katalyse der Methanol-Dampfreformierung 74 3.7.1 Pd/In2O3 74 3.7.2 Pt/In2O3 79 3.7.3 Beladungsreihe Pt/In2O3 83 Zusammenfassung und Ausblick 86 4 Quellen 89 5 Geräte und Parameter 98 5.1 Rasterelektronenmikroskopie 98 5.2 Transmissionselektronenmikroskopie 98 5.3 Dynamische Lichtstreuung 98 5.4 Physisorption 98 5.5 Pulver-Röntgendiffraktometrie 99 5.6 Thermogravimetrie/Differenzthermoanalyse 99 5.7 ICP-OES 99 5.8 Quecksilber Porosimetrie 100 5.9 Aktivierung der Aerogelkatalysatoren und Katalyse 100 6 Chemikalien 102 Danksagungen 105 7 Anhang 107 7.1 IR Referenzspektren 107 7.1.1 Ammoniumnitrat 107 7.1.2 Indium (III) chlorid Monohydrat 110 7.1.3 Indiumnitrat hydrat 112 7.1.4 Urotropin 114 7.1.5 Natriumborhydrid 116 7.2 Code für Experimentplanung über Maschinelles Lernen 118 7.2.1 Erstellen der Umgebung und Import von benötigten Python Paketen 118 7.2.2 Erstellen des Parameterraums 118 7.2.3 Eintragen der Ergebnisse nach jedem Batch 121 7.2.4 SHAPLEY Werte 125 7.2.5 Basen und Stabilisator Interaktionen 125 7.2.6 Basen und Salz Interaktionen 127 7.2.7 Einfluss von Stabilisatorgewicht und Stabilisatorart 127 7.2.8 Ohne Stabilisator, mit anderen Parameter Einflüssen 128 7.2.9 Zitronensäure und andere Parameterinteraktionen 129 7.2.10 Trinatriumcitrat und andere Parameterinteraktionen 131 7.3 EDBO Experiment Batches 133 Versicherung 143

Übergangsmetallfluoridverbindungen sind sehr vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation von Kathoden für Alkaliionenbatterien. Dennoch verhindern einige Nachteile dieser Materialklasse ihre Anwendung in Energiespeichermedien. Metallfluoride haben eine stark isolierende Wirkung, außerdem bewirken die Mechanismen beim Lade-/Entladevorgang, große Volumenänderungen und somit eine drastische Reorganisation des Materials, welche nur geringfügig umkehrbar ist. Um diese Nachteile zu reduzieren, werden in dieser Arbeit innovative Syntheserouten für die Umwandlung von Metallfluoridverbindungen sowie deren Anwendung in Alkaliionenbatterien vorgestellt. Im ersten Teil werden MFx Verbindungen (M = Co, Fe; x = 2 oder 3) untersucht. Diese Materialien zeigen eine hohe Ausgangskapazität aber nur bei sehr geringen C-Raten und zudem sehr geringe Zyklisierbarkeiten. Ex-situ-XRD und -TEM zeigen, dass die geringe Umkehrbarkeit der Prozesse hauptsächlich aus der Umwandlungsreaktion während des Be-/Entladens resultieren. Im zweiten Teil werden sowohl die Synthesen als auch die elektrochemischen Eigenschaften von Perowskiten aus Übergangsmetallfluoriden vorgestellt. NaFeF3 zeigt hierbei exzellente Leistungen und Reversibilitäten. Die Untersuchung der Mechansimen durch ex-situ und operando XRD während der Be- und Entladeprozesse hinsichtlich verschiedener Alkalisysteme zeigt, dass das kristalline Netzwerk über den Zyklus erhalten bleibt. Dies führt zur hohen Reversibilität und hohen Leistung selbst bei hohen C-Raten. Der Erhalt der Kristallstruktur wird durch elektrochemische Stabilisierung der kubischen Konformation von FeF3 ermöglicht, welche normalerweise erst bei hohen Temperaturen (400 °C) beobachtet wird und durch geringere Reorganisationen innerhalb des Kristallgerüsts erklärt werden kann. Ähnliche elektrochemische Eigenschaften können für KFeF3 und NH4FeF3 beobachtet werden, wobei erstmalig von Ammoniumionen als Ladungsträger in Alkaliionensystemen berichtet wird. / Metal fluoride compounds appear as very appealing candidates for the next generation of alkali-ion battery cathodes. However, many drawbacks prevent this family of compounds to be applicable to storage systems. Metal fluorides demonstrate a high insulating character, and the mechanisms involved during the discharge/charge processes atom engender large volume changes and a drastic reorganization of the material, which induces poor reversibility. In order to answer these problematics, the present thesis reports the elaboration of innovative synthesis routes for transition metal fluoride compounds and the application of these fluoride materials in alkali-ion battery systems. In a first part, MFx compounds (M = Co, Fe; x = 2 or 3) are studied. Those compounds exhibit high initial capacity but very poor cyclability and low C-rate capabilities. Ex-situ X-ray diffraction and transmission electron microscopy demonstrate that the low reversibility of the processes is mainly due to the conversion reaction occurring during their discharge/charge. In the second part, the syntheses of transition metal fluoride perovskites are reported, as well as their electrochemical properties. NaFeF3 demonstrates excellent performances and reversibility. The study of the mechanisms occurring during its charge/discharge processes towards different alkali systems by ex-situ and operando X-ray diffraction reveals that its crystalline framework is maintained along the cycles, resulting in high reversibility and excellent C-rate performance. This retention of the crystal framework is possible by an electrochemical stabilization of a cubic conformation of FeF3, which is usually only observable at high temperature (400 °C), and can be explained by lower reorganizations within the crystal framework. Similar electrochemical properties could be observed for KFeF3 and NH4FeF3, where ammonium ions are reported for the first time as a charge carrier in alkali-ion systems.

Photoschalter sind Moleküle, die eine reversible lichtgesteuerte Umwandlung zwischen zwei Zuständen mit unterschiedlichen Eigenschaften durchlaufen. In den letzten zehn Jahren hat der Einbau dieser photochromen Moleküle in intelligente, auf Stimuli ansprechende Materialien zunehmende Aufmerksamkeit erregt, da sie die einzigartige Fähigkeit bieten, makroskopische Eigenschaften mit einem externen optischen Stimulus reversibel zu verstärken und zu verändern. Die begrenzte Leistung von Photoschaltern in festen Medien bleibt eine Herausforderung. In diesem Zusammenhang werden in dieser Arbeit zwei wichtige Aspekte näher untersucht. Erstens der Prozess der Entwicklung neuer Photoschalter mit maßgeschneiderten Eigenschaften und zweitens die Implementierung von Photoschaltern in feste Materialien und die damit verbundenen Herausforderungen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde Dynamisch-kovalente Chemie (DCC) verwendet, um die Entdeckung und Entwicklung einer neuartigen Klasse von Photoschaltern mit drei Zuständen zu beschleunigen. Die dynamische Natur der zentralen Doppelbindung von α-Cyanodiarylethenen wurde genutzt, um ein thermodynamisches Gleichgewicht mit anderen Arylacetonitrilen herzustellen. Die entwickelte Methode kombiniert eine schnelle Diversifizierung mit einer Rasterung auf spezifische Eigenschaften, die durch einen externen Stimulus aufgedeckt werden, und ermöglicht die effiziente Untersuchung der Beziehung zwischen Struktur und den zugehörigen Eigenschaften. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Entwicklung und die Synthese eines Zweikomponenten-Kern-Schale-MOFs mit einem internen nicht-funktionalisierten Kompartiment, das von einer dünnen photoschaltbaren Außenschale bedeckt ist, vorgestellt. Diese Strategie ermöglicht ein effizientes Schalten des Chromophors und die resultierende dünne „intelligente“ Schale fungiert als modulare kinetische Barriere für die molekulare Gastdiffusion in das Material, die durch Licht gesteuert werden kann. / Photoswitches are molecules that undergo a reversible light-triggered conversion between two states with different properties. In the past decade, the incorporation of these photochromic molecules in smart stimuli-responsive materials has gained increased attention as it offers the unique ability to reversibly amplify and change macroscopic properties with an external optical stimulus. The limited performance of photoswitches in solid mediums remains a challenge. In this context two important aspects are studied in more detail in this thesis. First, the process of developing new photoswitches with tailored properties and second, the implementation of photoswitches in solid materials and the challenges associated with it. In the first part of this thesis dynamic covalent chemistry (DCC) was used to accelerate the discovery and development of a novel three-state photoswitch class. The dynamic nature of the central double bond of α-cyanodiarylethenes was exploited to establish a thermodynamic equilibrium with other arylacetonitriles. The developed DCC tool combines fast and efficient diversification with screening for specific photochemical properties revealed by an external stimulus, enabling the rapid study of the relationship between structure and the associated properties. The second part of this thesis summarizes the design and synthesis of a two-component core-shell MOF with an internal non-functionalized compartment covered by a thin photoswitchable outer shell. This strategy allows efficient switching of the chromophore and the resulting thin “smart” shell acts as a modular kinetic barrier for molecular guest diffusion into the material that can be controlled by light.

Die Entdeckung von neuen Materialien mit speziellen funktionalen Eigenschaften ist eins der wichtigsten Ziele in den Materialwissenschaften. Das Screening des strukturellen und chemischen Phasenraums nach potentiellen neuen Materialkandidaten wird häufig durch den Einsatz von Hochdurchsatzmethoden erleichtert. Schnelle und genaue Berechnungen sind eins der Hauptwerkzeuge solcher Screenings, deren erster Schritt oft Geometrierelaxationen sind. In Teil I dieser Arbeit wird eine neue Methode der eingeschränkten Geometrierelaxation vorgestellt, welche die perfekte Symmetrie des Kristalls erhält, Resourcen spart sowie Relaxationen von metastabilen Phasen und Systemen mit lokalen Symmetrien und Verzerrungen erlaubt. Neben der Verbesserung solcher Berechnungen um den Materialraum schneller zu durchleuchten ist auch eine bessere Nutzung vorhandener Daten ein wichtiger Pfeiler zur Beschleunigung der Entdeckung neuer Materialien. Obwohl schon viele verschiedene Datenbanken für computerbasierte Materialdaten existieren ist die Nutzbarkeit abhängig von der Darstellung dieser Daten. Hier untersuchen wir inwiefern semantische Technologien und Graphdarstellungen die Annotation von Daten verbessern können. Verschiedene Ontologien und Wissensgraphen werden entwickelt anhand derer die semantische Darstellung von Kristallstrukturen, Materialeigenschaften sowie experimentellen Ergebenissen im Gebiet der heterogenen Katalyse ermöglicht werden. Wir diskutieren, wie der Ansatz Ontologien und Wissensgraphen zu separieren, zusammenbricht wenn neues Wissen mit künstlicher Intelligenz involviert ist. Eine Zwischenebene wird als Lösung vorgeschlagen. Die Ontologien bilden das Hintergrundwissen, welches als Grundlage von zukünftigen autonomen Agenten verwendet werden kann. Zusammenfassend ist es noch ein langer Weg bis Materialdaten für Maschinen verständlich gemacht werden können, so das der direkte Nutzen semantischer Technologien nach aktuellem Stand in den Materialwissenschaften sehr limitiert ist. / The discovery of novel materials with specific functional properties is one of the highest goals in materials science. Screening the structural and chemical space for potential new material candidates is often facilitated by high-throughput methods. Fast and still precise computations are a main tool for such screenings and often start with a geometry relaxation to find the nearest low-energy configuration relative to the input structure. In part I of this work, a new constrained geometry relaxation is presented which maintains the perfect symmetry of a crystal, saves time and resources as well as enables relaxations of meta-stable phases and systems with local symmetries or distortions. Apart from improving such computations for a quicker screening of the materials space, better usage of existing data is another pillar that can accelerate novel materials discovery. While many different databases exists that make computational results accessible, their usability depends largely on how the data is presented. We here investigate how semantic technologies and graph representations can improve data annotation. A number of different ontologies and knowledge graphs are developed enabling the semantic representation of crystal structures, materials properties as well experimental results in the field of heterogeneous catalysis. We discuss the breakdown of the knowledge-graph approach when knowledge is created using artificial intelligence and propose an intermediate information layer. The underlying ontologies can provide background knowledge for possible autonomous intelligent agents in the future. We conclude that making materials science data understandable to machines is still a long way to go and the usefulness of semantic technologies in the domain of materials science is at the moment very limited.