The scope of this work is to fathom different possibilities to create functional coatings with polymer brushes. The immobilization of nanoparticles and enzymes is investigated, as well as the affection of their properties by the stimuli-responsiveness of the brushes. Another aspect is the coating of 3D-nanostructures by polymer brushes and the investigation of the resulting functional properties of the hybrid material. The polymer brush coatings are characterized by a variety of microscopic and spectroscopic techniques, with a special emphasis on the establishment of the combinatorial quartz crystal microbalance/spectroscopic ellipsometry technique as a tool to characterize the functional properties of the polymer brush systems insitu. The pH-responsive swelling of the polyelectrolyte brushes poly(acrylic acid) and poly(2-vinylpyridine), as well as the thermoresponsive swelling of poly(N-isopropylacryl amide) is studied in detail by this technique. Poly(2-vinylpyridine) and binary poly(N-isopropylacryl amide)-poly (2-vinylpyridine) brushes are used as templates for the insitu-synthesis of palladium and platinum nanoparticles with catalytic activity. As an example for the use of polymer brushes to immobilize enzymes, the model enzyme glucose oxidase is physically adsorbed to poly (2-vinylpyridine) and poly (acrylic acid) brushes and also covalently bound to poly (acrylic acid) brushes. In the last part of this thesis, sculptured thin films are coated with poly (acrylic acid) and poly (N-isopropylacryl amide) brushes and the swelling characteristics as well as the adsorption behavior of the model protein bovine serum albumin are investigated.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Wachstum und Aufbau von Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositaggregaten. Diese Aggregate werden im sogenannten Doppeldiffusionsversuch biomimetisch erzeugt und ihre äußere Form bzw. Formentwicklung lässt sich anhand eines fraktalen Modells bis ins Detail nachvollziehen. Sie zeigen einen komplexen inneren Aufbau, in dem die Makromoleküle der organischen Komponente einerseits im Zentrum jeder Nanoeinheit und andererseits zu Strängen, den sogenannten Fibrillen, zusammengelagert am Aufbau der Kompositaggregate beteiligt sind. Im Fall des Kompositkeims ist die innere Architektur in hoher Detailstufe verstanden, auch wenn -- insbesondere bezüglich der späteren Wachstumsphasen -- eine Reihe ungeklärter Fragestellungen verbleibt. Ein zentrales Ergebnis der vorliegenden Arbeit bildet die Entdeckung eines weiteren Wachstumstypen, der im Vergleich zu den bekannten, fraktalen Kompositaggregaten grundsätzliche Unterschiede bezüglich des inneren und äußeren Aufbaus zeigt. Der Grund für die andersartige Formentwicklung liegt in der Versteifung der organischen Komponente durch eine vorangegangene Einlagerung von Calciumionen, wie sowohl experimentell als auch mit atomistischen Computersimulationen gezeigt werden konnte. Aufgrund der hohen Komplexität des Systems ist es bislang allerdings nicht möglich, lokale Ionen-Konzentrationen und pH-Werte vor bzw. während Nukleation und Wachstum der Kompositaggregate im Doppeldiffusionsversuch zu bestimmen. Deshalb wurde ein Ersatzversuch -- der sehr ähnlich strukturierte Aggregate erzeugt, sich aber mit rechnerischen Methoden analysieren lässt -- entworfen und untersucht. Anhand dieser Ergebnisse konnte erstmals die "Geschichte" von Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositaggregaten detailliert nachvollzogen werden. Da über die Rolle der Gelatine beim Wachstum der Kompositaggregate nur wenig bekannt ist, wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, in denen Gelatinen mit verschiedenen Molekülmassenverteilungen eingesetzt wurden. Es stellte sich heraus, dass für selbstorganisiertes und insbesondere fraktales Wachstum der Kompositaggregate lange, möglichst wenig gestörte Makromoleküle von zentraler Wichtigkeit sind. Um die Funktion der organischen Komponente für das Kompositwachstum näher zu untersuchen, wurden Oberflächen von Kompositkeimen mit rasterkraftmikroskopischen Methoden studiert. Durch Säuberung der Oberflächen konnten Austrittsstellen der organischen Komponente durch die Oberfläche der Kompositkeime identifiziert werden. Damit konnte gezeigt werden, dass die organische Komponente aus dem Inneren des Festkörpers teilweise durch die Oberfläche dringt und somit während des Wachstums weit in das Gel hineinreichen sollte. Für die mesoskopische Strukturbildung der Kompositaggregate spielen intrinsische elektrische Felder eine essenzielle Rolle. Deshalb wurde bislang eine Wirkung externer elektrischer Felder auf das Wachstum der Kompositaggregate vermutet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde herausgearbeitet, dass es zwar zu keiner direkten Beeinflussung kommen kann, jedoch in den elektrodennahen Bereichen des Gels eine Ordnung der organischen Moleküle durch externe elektrische Felder zu erwarten ist. Dies könnte eine Wirkung auf wachsende Kompositaggregate zeigen. Da diese Effekte auch aufgrund der elektrischen Felder um die dipolaren Kompositaggregate zu erwarten sind, könnte eine ähnliche Strukturierung der Gelatine in der Nähe der wachsenden Kompositaggregate stattfinden. Insgesamt wurden in dieser Arbeit eine Reihe grundlegender Beiträge zur Erforschung der biomimetisch erzeugten Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositaggregate geleistet. Es konnten neue Erkenntnisse zur inneren und äußeren Architektur der Kompositaggregate, zu Mechanismen der Morphogenese und deren wichtigsten Einflussgrößen sowie zum Verständnis der chemisch-physikalischen Vorgänge auf atomarer Größenskala gewonnen werden. Als besonders fruchtbar erwies sich die Verbindung von Experimenten mit theoretischen Untersuchungen, so dass dieser Weg auch in Zukunft grundlegende Erkenntnisse bei der Erforschung der Biomineralisation verspricht und weiterhin verfolgt werden sollte.

Block copolymers are commercially significant and fundamentally interesting class of polymeric materials. The ability to undergo interfacial thermodynamics-controlled microphase separation from a completely disordered state in the melt to a specifically defined ordered structure through self-organization makes the block copolymers based materials unique. Block copolymer are strongly replacing many of the commercially available polymers due to their unique microstructure and properties. The most practical interests of block copolymers lie in the area of thermoplastic elastomers (TPEs). The objective of the present thesis work is to developing novel roots for enhancing the physical and mechanical properties in block copolymer and multigraft copolymers. Initially the properties are tailored by controlling chemical architecture at synthesis level and by selective blending at production level. This gives an easy access for improvement of the material properties and this is one of my major tasks in the present research modules. Further the block copolymer based TPEs are cross-linked in presence of electron beam (EB) radiation for developing materials with superior properties. The electron beam radiation has the ability to alter material parameters at molecular level for enhancing the macroscopic properties. The desirable physical and chemical properties can be easily attained by varying the radiation beam parameters. In addition to that, controlling the material at nanometer scale is one of the greatest challenges for current nanocomposite research. In elastomeric materials it is very prominent to fill the rubber matrix with nano particles from carbon or silica by melt mixing technique for enhancing the material properties. Other than conventional melt mixing technique, sol–gel processing is also a versatile technique, which making it possible to produce a wide variety of materials and to provide existing materials with novel properties. A combination of in situ sol-gel reaction with electron beam cross-linking in TPEs from triblock copolymer has been demonstrated for the first time as one of the novel nanocomposite system in this work. The main advantage of this system lies in controlling the material behaviour by finely tuning the size of silica nano particle generated inside TPE during in situ sol-gel reaction. Finally, the various roots employed for enhancing the material behaviour in block copolymers in the above research module were secussfully employed on super elastic multigraft copolymers for improving their strength withour sacrificing the super elastic nature.

Polypropylene (PP) has excellent mechanical and chemical properties. Thus, it is used in a wide range of applications. However, like for most polymers, the high flammability of PP limits its application in various fields requiring specific flame-retardant standards. Some of halogenated flame retardants are restricted by European Community directives ROHs, WEEE and REACH. Now metallic hydroxides flame retardants are widely used in industry, but the high loading (about 60 wt %) seriously destroys the mechanical properties of polymeric materials. To improve the performance of flame retardant polymers, an environment-friendly electron beam (EB) technology has been successfully used in modifying flame retardant and polymer matrix. In this work, high efficient functional intumescent flame retardants and functional surfactant are designed and prepared for EB technology. In-depth studies the thermal stability, fire behavior and mechanical properties of these flame retardant PP composites have been studied. The possible graft-linking and cross-linking mechanisms of such EB modified composites can be well established. Specially, it is shown that the novel surfactant has better thermal stability in comparison to traditionally used modifiers. Another part of this work deals with the exploration of novel allylamine polyphosphate (AAPP) as flame retardant crosslinker for PP by electron beam (EB) treatment. Multifunctional AAPP showed unique efficient intumescent flame retardant properties. The limiting oxygen index (LOI) value and the effective melt drop resistance in UL-94 test of multifunctional flame retardant PP composites is greatly enhanced. In the cone calorimeter test, a reduction of peak heat release rate, total heat release and smoke production is achieved. Moreover, EB treatment increased the thermal stability of these designed flame retardant PP composites. Furthermore, AAPP provided an excellent quality of char residue in the combustion stage due to P−N−C and P−O−C structure. In addition, synergistic mechanism of AAPP with montmorillonite (MMT) was explored. Finally, different EB parameters have been used to modify fire retardant polymer nanocomposites. The effects of EB treatment on thermal stability, fire behavior and mechanical properties of fire retardant PP nanocomposites have been discussed. The heat release, the production of toxic gases and the mass loss of EB modified fire retardant PP nanocomposites are delayed in accordance to the result of cone calorimeter test. Based on these results high performance fire retardant polymer nanocomposites can be developed for industrial applications such as insulated material of wire, cable, etc.

Block copolymers are commercially significant and fundamentally interesting class of polymeric materials. The ability to undergo interfacial thermodynamics-controlled microphase separation from a completely disordered state in the melt to a specifically defined ordered structure through self-organization makes the block copolymers based materials unique. Block copolymer are strongly replacing many of the commercially available polymers due to their unique microstructure and properties. The most practical interests of block copolymers lie in the area of thermoplastic elastomers (TPEs). The objective of the present thesis work is to developing novel roots for enhancing the physical and mechanical properties in block copolymer and multigraft copolymers. Initially the properties are tailored by controlling chemical architecture at synthesis level and by selective blending at production level. This gives an easy access for improvement of the material properties and this is one of my major tasks in the present research modules. Further the block copolymer based TPEs are cross-linked in presence of electron beam (EB) radiation for developing materials with superior properties. The electron beam radiation has the ability to alter material parameters at molecular level for enhancing the macroscopic properties. The desirable physical and chemical properties can be easily attained by varying the radiation beam parameters. In addition to that, controlling the material at nanometer scale is one of the greatest challenges for current nanocomposite research. In elastomeric materials it is very prominent to fill the rubber matrix with nano particles from carbon or silica by melt mixing technique for enhancing the material properties. Other than conventional melt mixing technique, sol–gel processing is also a versatile technique, which making it possible to produce a wide variety of materials and to provide existing materials with novel properties. A combination of in situ sol-gel reaction with electron beam cross-linking in TPEs from triblock copolymer has been demonstrated for the first time as one of the novel nanocomposite system in this work. The main advantage of this system lies in controlling the material behaviour by finely tuning the size of silica nano particle generated inside TPE during in situ sol-gel reaction. Finally, the various roots employed for enhancing the material behaviour in block copolymers in the above research module were secussfully employed on super elastic multigraft copolymers for improving their strength withour sacrificing the super elastic nature.

The structural evolution of carbon:transition metal (C:TM) nanocomposite thin films is investigated in two regimes: (i) surface diffusion governed regime occurring during the film growth and (ii) bulk diffusion dominated regime occurring during the post-deposition thermal annealing. C:V, C:Co, and C:Cu nanocomposite films were grown by ion beam co-sputtering. The influence of the metal type, metal content (15-40 at.%), substrate temperature (RT-500°C), and annealing temperature (300-700°C) on the structure and morphology of the composite is studied by the means of elastic recoil detection analysis, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and Raman spectroscopy. Vanadium (copper) is in carbidic (metallic) state in the whole temperature range of the study. In contrast, cobalt is in carbidic state up to 300°C and becomes metallic at higher growth temperatures. The nanoparticles in C:V films exhibit a globular shape at RT-500°C, whereas in C:Co and C:Cu films a growth transition from globular to elongated nanoparticles occurs around 300°C. The comparison of the Raman spectroscopy results from carbon reference and C:TM thin films shows that the presence of the metal during growth significantly enhances the formation of sixfold ring carbon clusters at temperatures as low as RT. The enhancement occurs independently of the nanoparticle size, shape, and phase, and metal content, and is related to processes taking place on the nanoparticle surface of the growing film rather than in the bulk. The degree of enhancement depends on the TM type and content. Post-deposition annealing of C:Co and C:Cu films at 700°C causes the metal segregation at the film surface, while no changes upon annealing occur in C:V films. In addition, cobalt brings about the carbon graphitization by a dissolution-diffusion-precipitation mechanism, similar to the metal-mediated crystallization of amorphous silicon or germanium. No graphitization upon annealing occurs in C:V, C:Cu, and carbon reference films. / Die Strukturentwicklung in Kohlenstoff-Übergangsmetall-Nanokompositschichten wird in zwei Bereichen untersucht: (i) im oberflächendiffusionsgesteuerten Bereich während des Schichtwachstums und (ii) im bulkdiffusionsdominierten Bereich während des nachträglichen Temperns. C:V, C:Co und C:Cu Nanokompositschichten wurden durch Ionenstrahl Co-Sputtern hergestellt. Der Einfluss des Metalltyps, des Metallgehalts (15-40 at.%), der Substrattemperatur (RT-500°C) und der Temperatur beim Tempern (300-700°C) auf die Struktur und Morphologie des Komposits wird mittels elastischer Rückstoßteilchen-Analyse, Röntgenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie und Ramanspektroskopie untersucht. Vanadium (Kupfer) ist im gesamten Temperaturbereich der Studie in karbidischem (metallischen) Zustand. Im Gegensatz dazu befindet sich Kobalt bis zu einer Temperatur von 300°C in karbidischem Zustand und wird bei höheren Abscheidetemperaturen metallisch. Die Nanopartikel in C:V Filmen besitzen eine runde Form im Temperaturbereich von RT bis 500°C wohingegen bei den C:Co und C:Cu Filmen ein Übergang von runden zu länglichen Partikeln bei etwa 300°C zu beobachten ist. Der Vergleich der Ramanspektroskopieresultate der Kohlenstoffreferenzproben und der Nanokompositschichten zeigt, dass die Anwesenheit des Metalls während des Schichtwachstums die Bildung von sechsatomigen Kohlenstoffringclustern bei Temperaturen so niedrig wie Raumtemperatur deutlich fördert. Die Erhöhung tritt unabhängig von der Partikelgröße, -form und phase und unabhängig vom Metallgehalt auf, und betrifft eher Prozesse, die auf der Oberfläche der Nanopartikel während des Schichtwachstums stattfinden als im Bulk. Der Grad der Erhöhung hängt vom Metalltyp und -gehalt ab. Nachträgliches Tempern der C:Co und C:Cu Filme bei 700°C führt zur Segregation des Metalls an der Schichtoberfläche während in den C:V Filmen keine Veränderungen durch das Tempern auftreten. Des weiteren kommt es in den C:Co Filmen zur Graphitisierung des Kohlenstoffs durch einen „Lösungs-Diffusions-Ablagerungs“ Mechanismus ähnlich der metallvermittelten Kristallisierung in amorphem Silizium und Germanium. In den C:V, C:Cu und Kohlenstoffreferenzfilmen findet keine Graphitisierung während des Temperns statt.

In dieser Arbeit werden zwei Schwerpunkte behandelt. Zum Einen soll der Einsatz nanoskaliger Materialien als Funktionskomponenten in Elektrolumineszenzbauteilen beschrieben werden. Dabei wird in einem ersten Aufbau ein transparenter Nanokompositfilm als emittierende Schicht in einem, den organischen Leuchtdioden, analogen Aufbau eingesetzt, während in einer zweiten Struktur eine transparente Elektrode, die auf nanoskaligen Kohlenstoffmaterialien (Kohlenstoffnanoröhren bzw. Graphenen) basiert, hinsichtlich ihrer Eignung als Alternative zu etablierten transparenten Elektroden untersucht werden soll. In weiterführenden Arbeiten werden die Erfahrungen aus der Graphensynthese auf die Generierung poröser, funktionalisierter Kohlenstoffmaterialien angewendet. Verbindend, wird die Röntgenkleinwinkelstreuung eingesetzt, um in vergleichenden Untersuchungen möglichst detailierte Informationen über die jeweiligen Systeme zu erhalten.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit Wachstum und Aufbau von Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositaggregaten. Diese Aggregate werden im sogenannten Doppeldiffusionsversuch biomimetisch erzeugt und ihre äußere Form bzw. Formentwicklung lässt sich anhand eines fraktalen Modells bis ins Detail nachvollziehen. Sie zeigen einen komplexen inneren Aufbau, in dem die Makromoleküle der organischen Komponente einerseits im Zentrum jeder Nanoeinheit und andererseits zu Strängen, den sogenannten Fibrillen, zusammengelagert am Aufbau der Kompositaggregate beteiligt sind. Im Fall des Kompositkeims ist die innere Architektur in hoher Detailstufe verstanden, auch wenn -- insbesondere bezüglich der späteren Wachstumsphasen -- eine Reihe ungeklärter Fragestellungen verbleibt. Ein zentrales Ergebnis der vorliegenden Arbeit bildet die Entdeckung eines weiteren Wachstumstypen, der im Vergleich zu den bekannten, fraktalen Kompositaggregaten grundsätzliche Unterschiede bezüglich des inneren und äußeren Aufbaus zeigt. Der Grund für die andersartige Formentwicklung liegt in der Versteifung der organischen Komponente durch eine vorangegangene Einlagerung von Calciumionen, wie sowohl experimentell als auch mit atomistischen Computersimulationen gezeigt werden konnte. Aufgrund der hohen Komplexität des Systems ist es bislang allerdings nicht möglich, lokale Ionen-Konzentrationen und pH-Werte vor bzw. während Nukleation und Wachstum der Kompositaggregate im Doppeldiffusionsversuch zu bestimmen. Deshalb wurde ein Ersatzversuch -- der sehr ähnlich strukturierte Aggregate erzeugt, sich aber mit rechnerischen Methoden analysieren lässt -- entworfen und untersucht. Anhand dieser Ergebnisse konnte erstmals die "Geschichte" von Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositaggregaten detailliert nachvollzogen werden. Da über die Rolle der Gelatine beim Wachstum der Kompositaggregate nur wenig bekannt ist, wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, in denen Gelatinen mit verschiedenen Molekülmassenverteilungen eingesetzt wurden. Es stellte sich heraus, dass für selbstorganisiertes und insbesondere fraktales Wachstum der Kompositaggregate lange, möglichst wenig gestörte Makromoleküle von zentraler Wichtigkeit sind. Um die Funktion der organischen Komponente für das Kompositwachstum näher zu untersuchen, wurden Oberflächen von Kompositkeimen mit rasterkraftmikroskopischen Methoden studiert. Durch Säuberung der Oberflächen konnten Austrittsstellen der organischen Komponente durch die Oberfläche der Kompositkeime identifiziert werden. Damit konnte gezeigt werden, dass die organische Komponente aus dem Inneren des Festkörpers teilweise durch die Oberfläche dringt und somit während des Wachstums weit in das Gel hineinreichen sollte. Für die mesoskopische Strukturbildung der Kompositaggregate spielen intrinsische elektrische Felder eine essenzielle Rolle. Deshalb wurde bislang eine Wirkung externer elektrischer Felder auf das Wachstum der Kompositaggregate vermutet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde herausgearbeitet, dass es zwar zu keiner direkten Beeinflussung kommen kann, jedoch in den elektrodennahen Bereichen des Gels eine Ordnung der organischen Moleküle durch externe elektrische Felder zu erwarten ist. Dies könnte eine Wirkung auf wachsende Kompositaggregate zeigen. Da diese Effekte auch aufgrund der elektrischen Felder um die dipolaren Kompositaggregate zu erwarten sind, könnte eine ähnliche Strukturierung der Gelatine in der Nähe der wachsenden Kompositaggregate stattfinden. Insgesamt wurden in dieser Arbeit eine Reihe grundlegender Beiträge zur Erforschung der biomimetisch erzeugten Fluorapatit-Gelatine-Nanokompositaggregate geleistet. Es konnten neue Erkenntnisse zur inneren und äußeren Architektur der Kompositaggregate, zu Mechanismen der Morphogenese und deren wichtigsten Einflussgrößen sowie zum Verständnis der chemisch-physikalischen Vorgänge auf atomarer Größenskala gewonnen werden. Als besonders fruchtbar erwies sich die Verbindung von Experimenten mit theoretischen Untersuchungen, so dass dieser Weg auch in Zukunft grundlegende Erkenntnisse bei der Erforschung der Biomineralisation verspricht und weiterhin verfolgt werden sollte.

Multifunctional polymer fibers with strain and liquid sensing capabilities were fabricated and characterized. The Hansen Solubility Parameters (HSPs) were used as a tool for selecting a suitable polymer to employ as matrix for the sensing material before fiber fabrication. The addition of conductive carbon particles to a polymer matrix provides it with sensing capabilities, such as against tensile strain and the presence of liquids as it was evaluated in this work. Multiwall carbon nanotubes (MWCNTs, MW) as well as a mixture of carbon black (CB) and MWCNTs in weight concentration of 1:1 were used as conductive fillers. The route followed to achieve electrically conductive polymer fibers necessary for sensing evaluations was a combined process of melt-mixing and subsequent melt-spinning. Melt-mixing and melt-spinning are processing techniques widely used in the polymer industry that could enable the up-scaling of the fibers developed in this work. Additionally to single component fibers, bi-component (BICO) fibers consisting of a polycarbonate (PC)+CB+MW sheath and a neat PC core were also fabricated, characterized and their performance was compared to the single component fibers. The state of dispersion of the carbon nanoparticles (CNPs) as well as tensile behavior, electrical resistivity, strain and liquid sensing properties of the composite fibers were evaluated. Finally a specific fiber composition with potential to be used as sensing material for mechanical strain and liquid exposition was proposed to be tested under two real situations (strain monitoring of a rigid structure and leakage detection of a chemical substance). Sensing fibers as the developed in this work have many potential applications such as real-time deformation and structural health monitoring and early cracking detection of any kind of structure. On the other hand, fibers able to sense the presence of liquids can perceive the leakage of chemicals that are hazardous to life. Moreover, this technology can also be applied in smart clothing manufacture by combining sensing fibers with flexible woven electronics.

Die Verwendung von pharmazeutischen Wirkstoffen (API) hat die moderne medizinische Behandlung erneuert und die menschliche Gesundheit vor Infektionskrankheiten geschützt. Andererseits werden Wirkstoffe in der Regel über Krankenhausabwässer oder Industrieabwässer in verschiedene Gewässer eingeleitet. Ihr kontinuierlicher Eintrag in die Umwelt hat eine ausgeglichene Umwandlungs-/Eliminierungsrate zur Folge und macht API zu 'pseudo-persistenten' Schadstoffen. Antibiotika gehören zur Gruppe der Wirkstoffe und werden in großem Umfang in Rohwasserquellen für Trinkwasser nachgewiesen. Die Konzentration der im Abwasser nachgewiesenen pharmazeutischen Verunreinigungen reicht von ng/L bis µg/L. Ciprofloxacin (CIP) wurde in Abwasser in extrem hohen Konzentrationen (bis zu 31 mg/L) nachgewiesen, die tausendmal höher sind als die für einige Bakterien toxischen Konzentrationen und es zum häufigsten Arzneimittel in Abwasser machen. Die zunehmende Konzentration von Antibiotika ist der Hauptgrund für die Entwicklung antibiotikaresistenter Bakterien, die eine Vielzahl von antibiotikaresistenten bakteriellen Infektionen verursachen. Von vielen pharmazeutischen Instituten wurde erwartet, dass sie neue Antibiotika entwickeln, um die antibiotikaresistenten Bakterien zu bekämpfen. Viele Studien über neue Antibiotika werden jedoch aufgrund der hohen Kosten und des Mangels an Innovation aufgegeben. Somit sind Antibiotika und antibiotikaresistente Bakterien widerspenstige Schadstoffe, die Anlass zu großer Sorge geben. Verschiedene konventionelle und moderne Techniken wie Ozonierung, Nanofiltration und biologische Methoden wurden zur Beseitigung von Schadstoffen eingesetzt. Dennoch sind teure Infrastrukturen, komplexe Systeme und ein hoher Bedarf an Platz und Energie (Strom, Gas) für die Umsetzung dieser Techniken erforderlich, die zudem nicht in der Lage sind, die in Spuren vorhandenen Schadstoffe zu entfernen. Daher werden fortgeschrittene Oxidationsverfahren (AOP) als interessante Lösung angesehen. AOPs sind chemische Behandlungen, die stark oxidierende Spezies, wie z. B. Hydroxylradikale, erzeugen können, um Schadstoffe in Abwässern abzubauen. Viele Studien wurden über den Einsatz der Photokatalyse durchgeführt, die eine der wichtigsten Untergruppen der AOPs ist. Die populärsten Photokatalysatoren, wie z.B. Halbleiter, werden seit dem zwanzigsten Jahrhundert wegen ihrer hohen photokatalytischen Effizienz und ihrer geringen Kosten in der Abwasserbehandlung eingesetzt. Allerdings haben diese Photokatalysatoren auch ihre Grenzen. Titandioxid, der am häufigsten verwendete Photokatalysator und Halbleiter mit großer Bandlücke, hat eine Bandlücke von 3,0 eV in der Rutilphase und 3,2 eV in der Anatasphase. Daher kann er hauptsächlich unter UV-Bestrahlung - die nur 4-5 % des Sonnenlichts ausmacht - photoaktiviert werden und erfordert den Einsatz künstlicher UV-Lichtquellen, um einen effizienten Photoabbau zu erreichen. Der Bedarf an externen Lichtquellen ist immer mit einem hohen Energiebedarf verbunden. Die weltweite Verknappung von Erdöl und Erdgas hat zu einer weit verbreiteten Besorgnis über die Energieversorgung geführt, da ein kalter und dunkler Winter befürchtet wird, insbesondere in der kritischen Situation der zunehmenden globalen Energiekrise. Diese Sorgen haben die Entwicklung alternativer, nachhaltiger Energiequellen in den Mittelpunkt gerückt. Die Lösung für all diese Probleme ist die Nutzung der Sonnenenergie. Eine florierende Forschung hat sich mit der Entwicklung von photokatalytischen Systemen beschäftigt, die im sichtbaren Bereich arbeiten. Allerdings machen ultraviolettes (UV) und sichtbares Licht zusammen nur die Hälfte der Photonen des Sonnenspektrums aus. Die verbleibenden Photonen im nahen Infrarot (NIR) werden für die Energieumwandlung noch zu wenig genutzt. Die Entwicklung praktischer Strategien zur Nutzung des NIR-Lichtanteils der Sonne ist von entscheidender Bedeutung, um die photokatalytische Effizienz für künftige industrielle Anwendungen zu erhöhen. Die Rückgewinnung und Wiederverwendung der verwendeten partikelförmigen Materialien ist ein weiterer mühsamer Schritt. Wie in neueren Studien beschrieben, erfordern die Partikeltrennverfahren höhere Kosten und komplizierte Systeme. Die Immobilisierung der Partikel auf einer Oberfläche wurde untersucht, wobei sich die Nachteile einer begrenzten Adsorptionsfläche und eines unzureichenden Kontakts mit Verunreinigungen oder Sekundärverschmutzungen durch das Auslaugen der Partikel aus den Trägermaterialien gezeigt haben. Ziel dieser Arbeit ist es, einen neuen Ansatz zur Herstellung effizienter solarbetriebener Tm3+-Photokatalysatoren auf UCNP-Basis zu demonstrieren, die aus relativ kostengünstigen Ausgangsstoffen (Poly(vinylalkohol) (PVA), Poly(acrylsäure) (PAA), Poly(etheretherketon) (PEEK)) und Spurenmengen von Lanthanidionen bestehen. Die Nanokomposit-Matrix besteht aus PVA und hydroxyliertem sulfoniertem PEEK (SPOH), die mit PAA-dekorierten UCNPs durch eine einfache Erhitzung bei 170 °C vernetzt wurden, was zu einem nicht auslaugenden porösen UCNP-Material führte. Die in die PVA/SPOH-Matrix eingebetteten UCNPs waren in der Lage, NIR-Licht zu absorbieren und die nach oben konvertierende Anregungsenergie auf die Polymermatrix zu übertragen, was zur Produktion von H2O2 (7,0-10-8 mol-L-1*min-1) führte. Dieses Material erwies sich auch unter Sonneneinstrahlung als funktionsfähig. Der so hergestellte Photokatalysator zeigte eine ausgezeichnete Adsorption (89%) und einen photokatalytischen Abbau (50%) in 4 Stunden gegenüber CIP sowie eine vielversprechende photokatalytische bakterizide Wirkung (55% in 1 Stunde) gegenüber E. coli unter Sonneneinstrahlung. Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass dieses Nanokomposit den Weg für ein solarbetriebenes Abwasserreinigungsverfahren auf der Grundlage von hochkonvertierenden Nanopartikeln ebnen kann.