The germylenes, germanium(II) 2-(oxidomethyl)phenolate (1), germanium(II) 4-methyl-2-(oxidomethyl)phenolate (2) and germanium(II) 4-bromo-2-(oxidomethyl)phenolate (3) were synthesized and their thermally induced twin polymerization to give organic–inorganic hybrid materials was studied. The compounds 1–3 form oligomers including dimers, trimers and tetramers as a result of intermolecular coordination of the benzylic oxygen atom to germanium. The structural motifs were studied by single crystal X-ray diffraction analysis and DFT-D calculations. Thermally induced twin polymerization of these germylenes gave hybrid materials based on germanium-containing phenolic resins. Carbonization of these resins under reductive conditions resulted in porous materials that are composed of germanium and carbon (Ge@C materials), while oxidation with air provided non-porous germanium dioxide. The porous Ge@C materials were tested as potential anode materials for rechargeable Li-ion batteries. Reversible capacities of 540 mA h g−1 were obtained at a current density of 346 mA g−1 without apparent fading for 100 cycles, which demonstrates that germanium is well accessible in the hybrid material. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Four molecular germanates based on salicyl alcoholates, bis(dimethylammonium) tris[2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germanate (1), bis(dimethylammonium) tris[4-methyl-2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germanate (2), bis(dimethylammonium) tris[4-bromo-2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germanate (3) and dimethylammonium bis[2-tert-butyl-4-methyl-6-(oxidomethyl)phenolate(2-)][2-tert-butyl-4-methyl-6-(hydroxymethyl)phenolate(1-)]germanate (4), were synthesized and characterized including single crystal X-ray diffraction analysis. In the solid state, compounds 1 and 2 exhibit one-dimensional hydrogen bonded networks, whereas compound 4 forms separate ion pairs, which are connected by hydrogen bonds between the dimethylammonium and the germanate moieties. The potential of these compounds for thermally induced twin polymerization (TP) was studied. Germanate 1 was converted by TP to give a hybrid material (HM-1) composed of phenolic resin and germanium dioxide. Subsequent reduction with hydrogen provided a microporous composite containing crystalline germanium and carbon (Ge@C – C-1, germanium content ∼20%). Studies on C-1 as an anode material for Li-ion batteries revealed reversible capacities of ∼370 mA h gGe@C−1 at a current density up to 1384 mA g−1 without apparent fading for 500 cycles. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Hybrid materials consisting of three different components were synthesized by the polymerization of one heterotrifunctional monomer in just one reaction step using, at the most, one catalyst. The polymerization of 2-furfuyloxy-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasiline leading to a hybrid material consisting of phenolic resin, poly(furfuryl alcohol), and polymethylsilsesquioxane is, to the best of our knowledge, the first polymerization of this kind. The influence of different catalysts on the polymerization behavior and thus on the structure of the hybrid material was investigated. In accordance with the term “twin polymerization”, which is used for the polymerization of one monomer yielding two separate polymers, this type of polymerization could be called “triple polymerization”. The term “multiple polymerization” is introduced as a general term for the underlying concept of the synthesis of multiple polymers starting from one monomer in one process step. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die Sammlung der zwei-dimensionalen (2D) Materialien ist begrenzt, da sehr wenige Verbindungen stabil bleiben, sobald sie nur aus Oberflächen bestehen. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften sind 2D Materialien jedoch nach wie vor überaus begehrt. Vor kurzem wurden atomar definierte, chemisch gesättigte SiO2 Bilagen auf verschiedenen Metalloberflächen präpariert. Eine solche ultradünne Silika-Lage wäre eine vielversprechende Ergänzung zur Familie der 2D Materialien, wenn sie unter Strukturerhalt vom Wachstumssubstrat isoliert werden kann. In dieser Arbeit untersuchen wir die Eigenschaften einer Silika-Bilage im Zusammenhang mit Anwendungen von 2D Materialien. Die Bilage besitzt kristalline und amorphe Regionen, die beide atomar glatt sind. Die kristalline Region besitzt ein hexagonales Gitter mit gleichmäßiger Porengröße, während die amorphe Region einer komplexeren Beschreibung bedarf. In einer Studie von Baublöcken zeigen wir, dass mittelreichweitige Struktureinheiten in Korrelation mit einem Parameter für die Bindungswinkelfrustration auftreten. Das Netzwerk verschiedener Nanoporen stellt eine größenselektive Membran dar, wie wir in einer Adsorptionsstudie zeigen. Pd- und Au-Atome durchdringen den Silikafilm abhängig von der Größe der zur Verfügung stehenden Nanoporen. Der ultradünne Film hält der Einwirkung verschiedener Lösungsmittel stand und die Beständigkeit der Struktur in Wasser wird analysiert. Diese Studien deuten die außergewöhnliche Stabilität dieser Struktur an. Wir entwickeln eine polymerbasierte mechanische Exfoliation, um den Film von seinem Wachstumssubstrat zu entfernen, und zeigen, dass der Film als intakte Einheit vom Substrat abgelöst wird. Wir präsentieren anschließend den Transfer des Silikafilms auf ein TEM-Gitter, wo er schraubenartig gewundene Formen annimmt. Weiterhin wurde der Film auf ein Pt(111)-Substrat transferiert. In diesem Fall wird unter Erhalt der Struktur ein Transfer in der Größenordnung von Millimetern erreicht. / The library of two-dimensional (2D) materials is limited, since only very few compounds remain stable when they consist of only surfaces. Yet, due to their extraordinary properties, the hunt for new 2D materials continues. Recently, an atomically defined, self-saturated SiO2 bilayer has been prepared on several metal surfaces. This ultrathin silica sheet would be a promising addition to the family of 2D materials, if it can be isolated from its growth substrate without compromising its structure. In this work, we explore the properties of a silica bilayer grown on Ru(0001) in the context of 2D technology applications. The bilayer sheet exhibits crystalline and amorphous regions, both being atomically flat. The crystalline region possesses a hexagonal lattice with uniform pore size, while the amorphous region requires a more complex description. In a building block study of the amorphous region, we find that medium range structural patterns correlate with a parameter describing the bond angle frustration. The resulting network of different nanopores represents a size-selective membrane, as illustrated in an adsorption study. Pd and Au atoms are shown to penetrate the silica film selectively, depending on the presence of appropriately sized nanopores. The ultrathin silica film is shown to withstand exposure to different solvents and the stability of the structure in water is analyzed. These studies indicate extraordinary stability of this nanostructure. We develop a polymer assisted mechanical exfoliation method for removing the film from the growth substrate, providing evidence that the film is removed as an intact sheet from the growth substrate. We subsequently present the transfer of the silica bilayer to a TEM grid, where it forms micro-ribbons. Further, the film is transferred to a Pt(111) substrate, where mm-scale transfer under retention of the structure is achieved.

Hybrid materials consisting of three different components were synthesized by the polymerization of one heterotrifunctional monomer in just one reaction step using, at the most, one catalyst. The polymerization of 2-furfuyloxy-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasiline leading to a hybrid material consisting of phenolic resin, poly(furfuryl alcohol), and polymethylsilsesquioxane is, to the best of our knowledge, the first polymerization of this kind. The influence of different catalysts on the polymerization behavior and thus on the structure of the hybrid material was investigated. In accordance with the term “twin polymerization”, which is used for the polymerization of one monomer yielding two separate polymers, this type of polymerization could be called “triple polymerization”. The term “multiple polymerization” is introduced as a general term for the underlying concept of the synthesis of multiple polymers starting from one monomer in one process step. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In der vorliegenden Arbeit wurden Bor- und Siliziumzwillingsmonomere mit Salicylalkohol und Methoxybenzylalkohol als Reaktanden synthetisiert. Die erhaltenen Verbindungen wurden mittels spektroskopischer Methoden charakterisiert und anhand von thermischen Analysemethoden umfassend hinsichtlich ihrer Polymerisierbarkeit untersucht. Durch die Kombination verschiedener Monomere in der Simultanen Zwillingspolymerisation gelang es, organisch-anorganische, nanostrukturierte Hybridmaterialien herzustellen. Die säure- und basenkatalysierte Simultane Zwillingspolymerisation von 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] und 2,2’-disubstituierten 4H-1,3,2-Benzodioxasilin-Zwillingsmonomeren ermöglichte es, Hybridmaterialien bestehend aus Siliziumdioxid, Polysiloxan und Phenolharz zu synthetisieren. Der Einfluss der verschiedenen Substituenten am Silizium auf die Ausbildung des anorganischen Netzwerkes wurde mittels Festkörper-NMR-Spektroskopie untersucht. Die mechanischen Eigenschaften der Hybridmaterialien wurden mittels Nanoindentation analysiert. Das Tetra-n-butylammonium-bis(ortho-hydroxymethylphenolato)borat wurde gemeinsam mit 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] zu einem Hybridmaterial aus Siliziumdioxid, Boroxid und Phenolharz umgesetzt. Hier erfolgte die Aufklärung der molekularen Struktur neben der Festkörper-NMR-Spektroskopie vorwiegend mittels IR- und Röntgenphotoelektronenspektroskopie. Die erhaltenen Materialien wurden mittels TGA-Messungen an Luft und UL94 hinsichtlich ihrer Eignung als Flammschutzmaterialien untersucht. Die Herstellung von Siliziumdioxid/Boroxid/Anisolharz-Hybridmaterialien gelang durch die Alternierende Simultane Zwillingspolymerisation von methoxysubstituierten Zwillingsmonomeren. Hierbei stand die Kombination von Monomeren mit unterschiedlichen Reaktivitäten bezüglich der Carbeniumionenstabilität und der pi-Nukleophilie im Vordergrund, um den Einfluss auf das Reaktionsverhalten und die Produktbildung zu untersuchen. Weiterhin wurden aus den Hybridmaterialien zudem poröse Kohlenstoffe und Oxide hergestellt und deren Eigenschaften mittels Stickstoffsorptionsmessungen analysiert.

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.

The germylenes, germanium(II) 2-(oxidomethyl)phenolate (1), germanium(II) 4-methyl-2-(oxidomethyl)phenolate (2) and germanium(II) 4-bromo-2-(oxidomethyl)phenolate (3) were synthesized and their thermally induced twin polymerization to give organic–inorganic hybrid materials was studied. The compounds 1–3 form oligomers including dimers, trimers and tetramers as a result of intermolecular coordination of the benzylic oxygen atom to germanium. The structural motifs were studied by single crystal X-ray diffraction analysis and DFT-D calculations. Thermally induced twin polymerization of these germylenes gave hybrid materials based on germanium-containing phenolic resins. Carbonization of these resins under reductive conditions resulted in porous materials that are composed of germanium and carbon (Ge@C materials), while oxidation with air provided non-porous germanium dioxide. The porous Ge@C materials were tested as potential anode materials for rechargeable Li-ion batteries. Reversible capacities of 540 mA h g−1 were obtained at a current density of 346 mA g−1 without apparent fading for 100 cycles, which demonstrates that germanium is well accessible in the hybrid material. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Switchable metal–organic frameworks (MOFs) change their structure in time and selectively open their pores adsorbing guest molecules, leading to highly selective separation, pressure amplification, sensing, and actuation applications. The 3D engineering of MOFs has reached a high level of maturity, but spatiotemporal evolution opens a new perspective toward engineering materials in the 4th dimension (time) by t-axis design, in essence exploiting the deliberate tuning of activation barriers. This work demonstrates the first example in which an explicit temporal engineering of a switchable MOF (DUT-8, [M1M2(2,6-ndc)2dabco]n, 2,6-ndc = 2,6-naphthalene dicarboxylate, dabco = 1,4diazabicyclo[2.2.2]octane, M1 = Ni, M2 = Co) is presented. The temporal response is deliberately tuned by variations in cobalt content. A spectrum of advanced analytical methods is presented for analyzing the switching kinetics stimulated by vapor adsorption using in situ time-resolved techniques ranging from ensemble adsorption and advanced synchrotron X-ray diffraction experiments to individual crystal analysis. A novel analysis technique based on microscopic observation of individual crystals in a microfluidic channel reveals the lowest limit for adsorption switching reported so far. Differences in the spatiotemporal response of crystal ensembles originate from an induction time that varies statistically and widens characteristically with increasing cobalt content reflecting increasing activation barriers.

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