Dans cette thèse nous avons étudié la mise en forme de matériaux carbonés par des méthodes électrochimiques pour des applications dans les domaines des capteurs et de l’énergie. Dans la première partie, l’électrochimie bipolaire, qui permet de réaliser des réactions électrochimiques sur un objet conducteur présent dans une solution et soumise à un champ électrique, a été utilisée pour générer des objets de type Janus. Ces objets asymétriques ont été modifiés à une extrémité par du poly(N-isopropylacrylamide (pNIPAM), un hydrogel sensible à la température, et par une peinture électrophorétique à l’autre extrémité. En contrôlant l’intensité du champ électrique ainsi que son temps d’application il a été possible de varier la longueur ainsi que l’épaisseur de l’hydrogel. Ces objets sensibles à la température, émettant de la lumière, ont des applications potentielles dans le domaine des capteurs ou dans le milieu médical.Dans la seconde partie, la mise en forme de carbone poreux pour des applications électrochimiques a été étudiée. La carbonisation de polymères contenant du zinc a été utilisé pour synthétiser du carbone micro/mésoporeux possédant ainsi une grande surface spécifique. Les polymères contenant du zinc ont été préparés à partir de différents types de ligands d’acide dicarboxylique par une méthode solvothermique. Ils ont ensuite été carbonisés pour obtenir des matériaux poreux avec des caractéristiques et des propriétés particulières. Ils ont été utilisés comme matériaux d’électrode pour des supercondensateurs, montrant des capacités élevées. De plus ils possèdent également une activité électrocatalytique à la réaction de réduction de l’oxygène. / In this thesis, the design of advanced carbon materials via electrochemical techniques and for electrochemical applications have been studied. In the first part, the concept of bipolar electrochemistry, which allows carrying out electrochemical reactions on a free-standing conductive object in an electric field, was employed to generate Janus-type objects. These objects are modified with a thermoresponsive hydrogel of poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) on one side and an electrophoretic deposition paint (EDP) on the other side. The results show that the length and the thickness of the hydrogel can be controlled by varying the electric field and the time of the experiment. The concept can be further generalized to other micro- and nanometer-sized objects, thus opening up perspectives for various applications.In the second part, the design of porous carbon structures for electrochemical applications was studied. The direct carbonization of non-porous zinc containing polymers was used to synthesize micro/mesoporous carbons with high surface area, pore volume. Non-porous zinc containing polymers with various types of dicarboxylic acid ligands prepared by solvothermal method were used as templates and starting materials. After carbonization porous carbons with various characteristics and properties were obtained. The synthesized porous carbon samples showed good electrochemical performance with high capacitance values. In addition, the derived materials exhibit excellent electrocatalytic activity with respect to the oxygen reduction reaction (ORR).

We propose an effective strategy to engineer a unique kind of porous carbon cuboid with tightly anchored cobalt/cobalt oxide nanoparticles (PCC–CoOx) that exhibit outstanding electrochemical performance for many key aspects of lithium-ion battery electrodes. The host carbon cuboid features an ultra-polar surface reflected by its high hydrophilicity and rich surface defects due to high heteroatom doping (N-/O-doping both higher than 10 atom%) as well as hierarchical pore systems. We loaded the porous carbon cuboid with cobalt/cobalt oxide nanoparticles through an impregnation process followed by calcination treatment. The resulting PCC–CoOx anode exhibits superior rate capability (195 mA h g−1 at 20 A g−1) and excellent cycling stability (580 mA h g−1 after 2000 cycles at 1 A g−1 with only 0.0067% capacity loss per cycle). Impressively, even after an ultra-long cycle life exceeding 10 000 cycles at 5 A g−1, the battery can recover to 1050 mA h g−1 at 0.1 A g−1, perhaps the best performance demonstrated so far for lithium storage in cobalt oxide-based electrodes. This study provides a new perspective to engineer long-life, high-power metal oxide-based electrodes for lithium-ion batteries through controlling the surface chemistry of carbon host materials.

Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (engl. Electrochemical Double-Layer Capacitors, EDLCs) stellen eine zunehmend wichtige Technologie auf dem Markt der elektrischen Energiespeicher dar. Sie zeichnen sich durch die Aufnahmefähigkeit großer Energiemengen, eine hohe Langzeitstabilität und ein schnelles Ansprechverhalten aus. Diese Eigenschaften sind Gründe, weshalb EDLCs als Speicherbausteine für Energierück-gewinnungssysteme oder zur Stabilisierung der Stromversorgung in diversen elektronischen Bauelementen eingesetzt werden. Die Aufnahme der Energie erfolgt über Ladungsseparation von Elektrolytionen an der Elektrodenoberfläche. Die Kapazität der Speicherfähigkeit wird dabei maßgeblich vom Betrag der Elektrodenoberfläche und dem Abstand der Elektrolytionen zur Oberfläche der Elektrode bestimmt (bei gleichbleibendem Elektrolyten). In der gegenwärtigen Forschung werden neue Elektrodenmaterialien entwickelt, um über deren Systemeigenschaften, wie Leitfähigkeit und Porosität, die Leistungsfähigkeit der Doppelschichtkondensatoren weiter zu optimieren. Gängige Komponenten für Elektroden in diesen Bauelementen stellen Kohlenstoffmaterialien dar, da diese chemisch inert und zumeist kostengünstig in der Produktion sind. In der vorliegenden Arbeit sollte die Eignung der Materialklasse der Siliziumoxykarbid-abgeleiteten Kohlenstoffe (engl. Silicon Oxycarbide-Derived Carbons, SiOCDCs) für die Anwendung in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren untersucht werden. Die SiOCDCs wurden über die Pyrolyse (700 – 1500 °C) und Chlorierung (700 – 1000 °C) eines kohlenstoffreichen Polysilsesquioxans mit der theoretischen Zusammensetzung C6H5SiO3/2 erzeugt. Dabei zeigte sich, dass sowohl die porösen Eigenschaften als auch die Leitfähigkeit innerhalb der erhaltenen Kohlenstoffmaterialien stark von der Synthesetemperatur abhängen. Somit konnten reine Kohlenstoffe mit spezifischen Oberflächen bis zu 2400 m2 g-1 und Porenvolumina von 1,9 cm3 g-1 synthetisiert werden. Im Verlauf der Arbeit wurde eine geeignete Methode zur Verarbeitung der erzeugten Oxykarbid-abgeleiteten Kohlenstoffe zu Elektroden evaluiert, um eine elektrochemische Charakterisierung vorzunehmen. Ein vielversprechender Ansatz stellt die vollkommen trockene Umsetzung der SiOCDCs zu freistehenden Elektrodenschichten dar. Dieses Verfahren nutzt die Verreibung der Aktivkomponente mit einem geringen Anteil (5 Gew.-%) eines Bindemittels (Polytetrafluorethylen, PTFE) aus, um flexible und selbsttragende Elektrodenfolien zu erzeugen. Die Vorteile dieses Prozesses gegenüber anderen Verarbeitungsarten liegen darin, dass aufwendige Trocknungsverfahren während der Elektrodenherstellung entfallen und die Schichtdicken der resultierenden Folien unmittelbar eingestellt werden können. Während der Untersuchung der unterschiedlichen Elektrodensysteme im organischen Elektrolyten (1 M Tetraethylammoniumtetrafluoroborat-Lösung in Acetonitril) konnten spezifische Kapazitäten von bis zu 120 F g-1 gemessen werden. Des Weiteren zeigte sich der Einfluss der Kohlenstoffstruktur innerhalb der Aktivmaterialien auf die elektrochemischen Resultate. So konnte festgestellt werden, dass eine zunehmende Graphitisierung im Kohlenstoff, welche mit einer steigenden Mesoporosität im SiOCDC einherging, zu einer verbesserten Leitfähigkeit innerhalb der EDLC-Elektroden führte, aber auch eine Verringerung der spezifischen Kapazität bedeutete. Die Verringerung der Widerstände im System weitete erheblich den Bereich der nutzbaren Arbeitsfrequenzen und die Strombelastbarkeit des Elektrodenmaterials aus. So bestand die Möglichkeit ein mesoporöses Kohlenstoffmaterial zu synthetisieren, welches mit einer maximalen Arbeitsfrequenz von 8 Hz einen Wert zeigte, der zwei Größenordnungen über der Arbeitsfrequenz eines kommerziell erhältlichen Standards (Aktivkohle YP-50F) lag. Dieses exzellente Ansprechverhalten bildet die Grundlage für den Einsatz in Hochleistungsspeichersystemen. Des Weiteren offenbarte sich, dass die trocken prozessierten Elektroden das Potential für eine hohe Langzeitstabilität besitzen, da je nach Elektrodensystem ein Erhalt von 94% der Ursprungskapazität über 10.000 Lade-/Entladezyklen beobachtet werden konnte. Die Modifikation der Elektrodenmaterialien mittels CO2-Aktivierung und eine damit verbundene Erhöhung der spezifischen Oberfläche führten zu einer Verbesserung der spezifischen Kapazität der Aktivkomponenten um bis zu 33%. Zusammenfassend bleibt zu erwähnen, dass poröse Oxykarbid-abgeleitete Kohlenstoffe erfolgreich über die Chlorierung von keramischen Vorläuferverbindungen synthetisiert werden konnten. Die Kohlenstoffmaterialien zeigten nach der Prozessierung zu freistehenden und flexiblen Elektrodenfilmen vielversprechende Eigenschaften bei der Nutzung in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren, wie hohe spezifische Kapazitäten, gute Langzeitstabilitäten und hohe Arbeitsfrequenzen bei Lade- und Entladevorgängen.

Acid induced step-growth polymerizations of bis(p-methoxybenzyl) carbonate (pMBC), bis(m-methoxybenzyl) carbonate (mMBC) and difurfuryl carbonate (DFC) have been performed to produce resin-foams, because controlled release of carbon dioxide takes place during polymerization of those organic carbonates. The monomers are polymerized in bulk using p-toluene sulfonic acid (pTS) as a catalyst. The volume development of the foams is assisted by use of an appropriate surfactant and the crosslinking agent 1,3,5-trioxane as co-components. A portion of carbon dioxide release is a function of the carbenium stability of the reactive intermediate derived from the monomer; DFC > pMBC ≫ mMBC. Resins derived from mMBC can be post-treated to release carbon dioxide after polymerization. The molecular structures of the resulting materials are investigated by solid state 13C-NMR spectroscopy and IR spectroscopy. Scanning electron microscopy was used to study foam morphology. The carbon dioxide release was monitored with TG-MS analysis. Finally, the polymer foams have been converted into carbon foams and investigated by means of mercury porosimetry. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

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Switchable supercapacitors (SCs) enable a reversible electrically-driven uptake/release of bioactive ions by polarizing porous carbon electrodes. Herein we demonstrate the first example of a bioactive ion-based switchable supercapacitor. Based on choline chloride and porous carbons we unravel the mechanism of physisorption vs. electrosorption by nuclear magnetic resonance, Raman, and impedance spectroscopy. Weak physisorption facilitates electrically-driven electrolyte depletion enabling the controllable uptake/release of electrolyte ions. A new 4-terminal device is proposed, with a main capacitor and a detective capacitor for monitoring bioactive ion adsorption in situ. Ion-concentration control in printed choline-based switchable SCs realizes switching down to 8.3 % residual capacitance. The exploration of adsorption mechanisms in printable microdevices will open an avenue of manipulating bioactive ions for the application of drug delivery, neuromodulation, or neuromorphic devices.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Herstellung von nanostrukturierten Kohlenstoffen. Die Synthese erfolgt dabei durch die Zwillingspolymerisation der siliziumhaltigen Zwillingsmonomere 2,2’Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] sowie Tetrafurfuryloxysilan. Die entstehenden Nanokomposite werden anschließend carbonisiert und das SiO2-Netzwerk herausgelöst. Die Zwillingsmonomere wurden dabei zunächst templatfrei umgesetzt, um Einflüsse verschiedener Reaktionsparameter auf die Eigenschaften der erhaltenen Kohlenstoffe zu evaluieren. Des Weiteren wurde studiert, wie sich die Zugabe von Hart-Templaten auf das Polymerisationsverhalten der Zwillingsmonomere, sowie die Porosität und Morphologie der daraus resultierenden Kohlenstoffe auswirkt. Für die Charakterisierung der nanostrukturierten Kohlenstoffe wurde vorwiegend auf Elektronenmikroskopie und Stickstoffsorptions-Experimente zurückgegriffen. Mit Hilfe der Zwillingspolymerisation an Hart-Templaten, wie SiO2-Partikeln, Glasfasern und ORMOCER®en konnte die Morphologie, Geometrie, Größe und Porentextur der Kohlenstoffe eingestellt und ein modulares Synthesekonzept für poröse, nanostrukturierte Kohlenstoffe entwickelt werden. Ferner wurden ausgewählte Kohlenstoffe auf Anwendung als Wasserstoffspeicher und Elektrodenmaterial in Lithium-Schwefel-Zellen getestet. In diesem Zusammenhang wurden die Thermogravimetrie, die Differenzkalorimetrie und Stickstoff-Sorptionsmessungen eingesetzt, um die Batterieeigenschaften in Zukunft ohne das Durchführen aufwendiger Zelltests zu prognostizieren.

The synthesis of crystalline two-dimensional (2D) covalent organic frameworks (COFs) with fully unsaturated carbon–carbon backbones via a solution approach remains a great challenge. In this work, we report the first example of an olefin-linked 2D conjugated COF using a Knoevenagel polycondensation reaction of 1,4-phenylene diacetonitrile and three armed aromatic aldehyde. The resulting 2D poly(phenelyenevinylene) framework (2DPPV) possesses a sheet morphology, and a crystalline layered structure featuring a fully sp2-bonded carbon skeleton with pendant cyanide groups. Its unique alternating structure with a serrated configuration has been essentially evaluated using HR-TEM TEM analysis, nitrogen physisorption measurements, PXRD studies and theoretical simulations. Upon thermal and activation treatments, the as-prepared 2DPPV can be facilely converted into porous carbon nanosheets with large specific surface areas of up to 880 m2 g−1 which exhibit an excellent electrochemical performance as supercapacitor electrodes and electrocatalysts for the oxygen reduction reaction. This represents an economic non-template approach to 2D porous carbon materials for energy-related applications.

Nous avons montré les performances et les limitations en électrochimie des deuxnouvelles BODs de Bacillus pumilus et de Magnaporthe oryzae. La BOD de M.oryzae commence à réduire l’O2 à un potentiel de + 0,50 V vs. Ag/AgCl et B. pumilusà + 0,44 V vs. Ag/AgCl. La BOD de M. oryzae est peu sensible à la concentration dephosphate de sodium dans l’hydrogel rédox mais est sensible au chlore, à l’urate etaux fortes température. La BOD de B. pumilus a une activité élevée en présence dechlore et à 50 °C mais est sensible à la concentration de phosphate dans l’hydrogel.Cette sensibilité est compensée par une meilleure stabilité en présence d’urate, ainsielle ne perd que 9 % d’activité après 3 heures dans le sérum de veau. La BOD de M.oryzae immobilisée sans médiateur est plus performante que B. pumilus. Sonutilisation dans des nouveaux carbones poreux contenant des nanoparticules d’or amis en évidence l’effet des conditions de séchage des enzymes et de la méthode desynthèse des nanoparticules. Les meilleures performances sont obtenues pour unséchage à 25 °C sous vide et une synthèse séquentielle des nanoparticules. Nousavons combiné ces deux BODs dans une nouvelle cathode bi-enzymatique. Au ratiooptimal de 50 %v de chaque BOD, elle opère à + 0,50 V vs. Ag/AgCl avec un courantde -0,86 ± 0,01 mA.cm-2 dans les conditions physiologiques. Elle a une forte activité àhaute température et en présence de chlore et une stabilité intermédiaire enprésence d’urate. Dans les mêmes conditions nous avons réalisé une cathode bienzymatiqueavec B. pumilus et la laccase de Podospora anserina. Elle estégalement plus performante que les cathodes mono-enzymatiques correspondantes. / Here we showed the performances and the limits in electrochemistry of the two newBODs from Bacillus pumilus and Magnaporthe oryzae. The onset potential for theoxygen reduction with the BOD from M. oryzae is + 0.50 V vs. Ag/AgCl and with B.pumilus is + 0.44 V vs. Ag/AgCl. The BOD from M. oryzae is not sensitive to theconcentration of sodium phosphate in redox hydrogel but is sensitive to chloride,urate and high temperatures. The BOD from B. pumilus has a high activity in thepresence of chloride and at 50 °C, but is sensitive to the concentration of phosphatein the hydrogel. This sensitivity is offset by an improved stability in the presence ofurate, so it loses only 9 % of activity after 3 hours in calf serum. The BOD from M.oryzae immobilized without mediator outperforms B. pumilus. Its use in new porouscarbon materials containing gold nanoparticles showed the effect of enzymes dryingconditions of the synthesis method of the nanoparticles. The best performance isobtained for a drying at 25 °C under vacuum and a sequential synthesis ofnanoparticles. We combined these two BODs in a new bi-enzymatic cathode. At theoptimal ratio of 50 %v of each BOD, it operates at + 0.50 V vs. Ag/AgCl with a currentdensity of -0.86 ± 0.01 mA.cm-2 under physiological conditions. It has a high activityat high temperatures and in the presence of chloride and an intermediate stability inthe presence of urate. Under the same conditions we conceived a bi-enzymaticcathode with B. pumilus and laccase Podospora anserina. It is also more efficientthan the single-enzymatic corresponding cathodes.

The synthesis of crystalline two-dimensional (2D) covalent organic frameworks (COFs) with fully unsaturated carbon–carbon backbones via a solution approach remains a great challenge. In this work, we report the first example of an olefin-linked 2D conjugated COF using a Knoevenagel polycondensation reaction of 1,4-phenylene diacetonitrile and three armed aromatic aldehyde. The resulting 2D poly(phenelyenevinylene) framework (2DPPV) possesses a sheet morphology, and a crystalline layered structure featuring a fully sp2-bonded carbon skeleton with pendant cyanide groups. Its unique alternating structure with a serrated configuration has been essentially evaluated using HR-TEM TEM analysis, nitrogen physisorption measurements, PXRD studies and theoretical simulations. Upon thermal and activation treatments, the as-prepared 2DPPV can be facilely converted into porous carbon nanosheets with large specific surface areas of up to 880 m2 g−1 which exhibit an excellent electrochemical performance as supercapacitor electrodes and electrocatalysts for the oxygen reduction reaction. This represents an economic non-template approach to 2D porous carbon materials for energy-related applications.