HCl ist ein Nebenprodukt bei vielen organischen Chlorierungsprozessen. Die Aufarbeitung von HCl wäre wirtschaftlich sinnvoll. Eine der möglichen Optionen ist die Rückgewinnung des Chlors durch die katalytische HCl-Oxidation mit O2 (Deacon-Prozess). Das Hauptziel dieser Arbeit war es, die katalytische Aktivität von kupferchlorid-haltigen Schmelzen in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Verhältnis der Reaktionsgase zu untersuchen. Dazu wurden Versuche unter stationären und instationären Reaktionsbedingungen im Temperaturintervall zwischen 400 und 500 °C durchgeführt. Für das bessere Verständnis des Katalysator-Systems wurde ein thermodynamisches Modell für das Stoffsystem MeCl-CuCl-CuCl2-CuO-HCl-H2O-Cl2-O2 (Me = Li, Na, K) erstellt. Weiterhin wurden mithilfe von kinetischen Untersuchungen Hinweise auf die Rolle der gelösten oxidischen Zwischenverbindungen im stufenweisen Reaktionsmechanismus gefunden. Mit den Versuchsergebnissen wurde gezeigt, dass die MeCl-CuCl-CuCl2-Schmelzen eine genügende katalytische Aktivität besitzen und damit eine Alternative zu den mit Feststoffträgern arbeitenden Katalysatoren darstellen. Zur Minderung von Korrosionsproblemen wurden mehrstufige Prozessführungen kritisch diskutiert.

The electrocatalytic water decomposition has been investigated in this thesis by means of its two half standard reactions: the oxygen evolution reaction (OER) and the hydrogen evolution reaction (HER). These reactions occur in different locations in a typical electrochemical cell: the anode and the cathode, respectively. Motivated by the lack of understanding about the reaction mechanisms occurring at the anodes and cathodes, we have proposed first: novel representations of typical TiO2 surfaces, based on small cluster systems, which can be used for a quick and more detailed assessment of the OER activities at modified TiO2 surfaces, and secondly we investigated the HER in two sets of model surfaces which represent recently synthesized materials, based on Mo2C and graphene with promising activities toward the HER. We have employed Density Functional Theory (DFT) based methods within both localized and extended basis sets, as implemented in GAMESS and VASP packages, respectively, to examine the structural, electronic and vibrational properties of the proposed models. We propose new reaction mechanisms for the OER on a number of molecular representations of TiO2 electrodes. For each reaction pathway, the free energy profile is computed, at different biases, from the DFT energies, the entropic and the zero-point energy contributions. The mechanisms explored in this thesis are found to be energetically more feasible than alternative reaction pathways considered in previous theoretical works based on molecular representations of the TiO2 surfaces. The representation of the surface of specific, commonly occurring, titanium dioxide crystals (e.g., rutile and anatase) within the small cluster approximation is able to reproduce qualitatively the rutile (110) outperforming of the anatase (001) surface. We subsequently investigate the influence of doping TiO2 surfaces with transition metals (TMs) on the performance of TiO2 -based electrodes for the water splitting electrochemical reaction. Two cluster models of the TM-doped active sites which resemble both the TiO2 anatase (001) and rutile (110) surfaces, respectively, are considered for the evaluation of the water decomposition reaction when a Ti is replaced by a TM atom. A set of TMs spanning from Vanadium to Nickel is considered. The late TMs explored here: Fe, Co and Ni are found to reproduce the observed experimental trends for the overpotentials in TiO2-doped electrodes. In the case of Cr and Mn, the present study predicts an enhancement of the OER activity for the anatase-like clusters while a reduction of this activity is found for the rutile-like ones. The vanadium-doped structures do not show relevant influence in the OER activity compared to pure TiO2-based cluster models. The last part of this work is devoted to the theoretical study of the HER on recently found materials based on the synergistic combination of molybdenum carbide and graphene layers. We propose two major structural models to describe the HER mechanism within the framework of DFT: Mo2C-based clusters adsorbed on carbon nanosheets and the Mo2C (001) surface covered by pure and nitrogen-doped graphene layers. The former system evaluates the influence of Mo2C nanoparticles adsorbed on carbon nanosheets towards the HER. The second one is employed to gain insight about the high HER activity observed in molybdenum carbide anchored on nitrogen-doped porous carbon nanosheets (Mo2C@2D-NPC), recently synthesized. The H-adsorption free energy has been used as a principal descriptor to asses the HER activity at the proposed model active sites. It resembles the value for the best state of the art catalyst for the HER (i.e., platinum at carbon substrate Pt@C) in some of the proposed structural models. Furthermore, a pH-correction is added within a simplified model, to the H-adsorption free energy barrier in every proposed structure. The pH dependence of the H-adsorption free energy barriers allows the assessment of the HER at acidic and alkaline conditions simultaneously. An overall agreement with experimental results is found and further predictions, promoting the development of better HER catalysts, have been done.

Die Realstruktur des perowskitischen Modellsystems SrTiO3, welches in der Raumgruppe Pm-3m kristallisiert, wird durch die Sauerstoffvakanz als wichtigstem Defekt dominiert. Durch Temperaturbehandlung unter reduzierenden Bedingungen können Sauerstoffvakanzen in die Kristallstruktur eingebracht werden. Aufgrund ihrer positiven Ladung relativ zum Kristallgitter bewegen sie sich im elektrischen Feld entlang des TiO6-Oktaedernetzwerkes. Die Elektroformierung folgt dabei einem Arrheniuszusammenhang, wobei sowohl die Aktivierungsenergie als auch die Mobilität eine deutliche Abhängigkeit von der Kristallorientierung zeigen. Die Umverteilung der Sauerstoffvakanzen führt zu lokalen reversiblen Strukturänderungen, welche die Ausbildung einer neuen migrationsinduzierten feldstabilisierten polaren (MFP) Phase verursachen. In Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke zeichnet sie sich strukturell durch eine tetragonale Verzerrung der ursprünglich kubischen Elementarzelle aus und geht mit dem Verlust der Inversionssymmetrie einher. Die Polarisation in der Struktur wird durch die erwiesene Pyroelektrizität bestätigt und gilt als Grundlage, um anhand eines kristallographischen Symmetrieabstieges die Herleitung der Raumgruppe P4mm zu ermöglichen. Der durch die Migration hervorgerufene intrinsische Defektkonzentrationsgradient ruft eine elektromotorische Kraft hervor, deren Verwendung in einem elektrochemischen Energiespeicher experimentell nachgewiesen wurde. Diese neuen Funktionalitäten sind durch die Anwendung defektchemischer und kristallphysikalischer Konzepte infolge gezielter Materialmodifizierung unter Einfluss von Temperatur und elektrischem Feld zu verstehen. / The real structure of the perovskite-type model system SrTiO3, crystallizing in space group Pm-3m, is dominated by oxygen vacancies as most important defects. They are introduced in the crystal structure through heat-treatment under reducing conditions. Because of their positive charge relative to the crystal lattice, oxygen vacancies move in an electric field along the TiO6 octahedron network. This electroformation process follows an Arrhenius behavior. Both the activation energy and the mobility show an obvious dependence on the crystal orientation. Redistribution of oxygen defects causes local reversible structural changes, which involve the formation of a migration-induced field-stabilized polar (MFP) phase. In dependence on the electric field strength, this is structurally marked by a tetragonal distortion of the original cubic unit cell and accompanied by a loss of inversion symmetry. The polarisation in the crystal structure is confirmed by the proven pyroelectricity and serves for the argumentation to derive the space group P4mm by means of a crystallographic symmetry descent. The migration-induced intrinsic concentration gradient of oxygen vacancies leads to an electromotive force, whose application as electrochemical energy storage was proven experimentally. These new functionalities are explainable using defect chemistry and crystal physics in consequence of specific material modifications under the influence of temperature and external electric fields.

Die Arbeit befaßt sich mit Modellsystemen zur elektrokatalytischen Reduktion von Sauerstoff in wäßriger saurer Elektrolytlösung. Ziel ist es, zum Verständnis des Reduktionsmechanismus an makrozyklischen Elektrokatalysatoren beizutragen, da diese Stoffklasse ein Potential zum Einsatz in PEM-Brennstoffzellen besitzt. Untersucht wurden meso-arylsubstituierte Fe-, Co- und Ni-Metalloporphyrine auf einem graphitischen Träger. Die Moleküle wurden in systematischer Weise modifiziert, um Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen zu finden. Synthese, spektroskopische Charakterisierung (UV-vis, IR, Raman) und Applikation sind beschrieben. Die Reduktion wurde mit klassischer Elektroanalytik (CV, RDE, RRDE, Impedanzmessung) und in situ-Ramanspektroskopie untersucht. Die Aktivität der Modellkatalysatoren ist abhängig vom Zentralion und den Arylsubstituenten und läßt sich teilweise mit den Hammett-Konstanten von Substituenten korrelieren. Aussagen zum Mechanismus lassen sich aus klassischer Elektroanalytik ableiten, es wurde jedoch ausschließlich 2-Elektronen-Reduktion beobachtet. Mit der in situ-Ramanspektroskopie läßt sich unter Ausnutzung des Resonanzeffekts der elektronische Zustand der Komplexe unter elektrochemischen Bedingungen beobachten. Aussagen zum Elektronentransfer und zur Redoxkatalyse werden gewonnen. Weiterhin lassen sich sowohl die geometrische Orientierung und Koordination der Chelate an die Kohlenstoffunterlage als auch die Art der Koordination des Sauerstoffmoleküls an den Katalysator untersuchen. Die untersuchten Moleküle waren parallel zur Kohlenstoffoberfläche orientiert, mit sauerstoffhaltigen Oberflächengruppen als axialem Ligand am Zentralion. Für Fe-Porphyrine wurde eine gewinkelt lineare Koordination des Sauerstoffmoleküls an das Metallzentrum gefunden.

The present work is the fourth (and final) contribution to an inter-laboratory collaboration that was planned at the 3rd International Summit on Organic Photovoltaic Stability (ISOS-3). The collaboration involved six laboratories capable of producing seven distinct sets of OPV devices that were degraded under well-defined conditions in accordance with the ISOS-3 protocols. The degradation experiments lasted up to 1830 hours and involved more than 300 cells on more than 100 devices. The devices were analyzed and characterized at different points of their lifetimes by a large number of non-destructive and destructive techniques in order to identify specific degradation mechanisms responsible for the deterioration of the photovoltaic response. Work presented herein involves time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) in order to study chemical degradation in-plane as well as in-depth in the organic solar cells. Various degradation mechanisms were investigated and correlated with cell performance. For example, photo-oxidation of the active material was quantitatively studied as a function of cell performance. The large variety of cell architectures used (some with and some without encapsulation) enabled valuable comparisons and important conclusions to be drawn on degradation behaviour. This comprehensive investigation of OPV stability has significantly advanced the understanding of degradation behaviour in OPV devices, which is an important step towards large scale application of organic solar cells. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

This thesis reassigns the OTe-VCd complex in CdTe and the OSe-VCd complex in CdSe to a sulfur-dioxygen complex SO2*, and the OCd defect in CdSe to a VCdH2 complex using Fourier transformed infrared absorption spectroscopy. The publications of the previous complexes were investigated by theoreticians who performed first-principle calculations of theses complexes. The theoreticians ruled out the assignments and proposed alternative defects, instead. The discrepancy between the experimentally obtained and theoretically proposed defects was the motivation of this work. Two local vibrational modes located at 1096.8 (v1) and 1108.3 cm-1 (v2) previously assigned to an OTeV_Cd complex are detected in CdTe single crystals doped with CdSO4 powder. Five weaker additional absorption lines accompanying v1 and v2 could be detected. The relative intensities of the absorption lines match a sulfur-dioxygen complex SO2* having two configurations labeled v1 and v2. A binding energy difference of 0.5+-0.1meV between the two configurations and an energy barrier of 53+-4 meV separating the two configurations are determined. Uniaxial stress applied to the crystal leads to a splitting of the absorption lines which corresponds to an orthorhombic and monoclinic symmetry for v1 and v2, respectively. In virgin and oxygen-doped CdSe single crystals, three local vibrational modes located at 1094.1 (gamma_1), 1107.5 (gamma_2), and 1126.3 cm-1 (gamma_3) previously attributed to an OSe-VCd complex could be observed. The signals are accompanied by five weaker additional absorption features in their vicinity. The additional absorption lines are identified as isotope satellites of a sulfur-dioxygen complex SO2* having three configurations gamma_1, gamma_2, and gamma_3. IR absorption measurements with uniaxial stress applied to the CdSe crystal yield a monoclinic C1h symmetry for gamma_1 and gamma_2. The SO2* complex is stable up to 600 C. This thesis assigns the v- lines in CdTe and gamma-lines in CdSe to local vibrational modes of a sulfur-dioxygen complex SO2*. A hydrogen-doped CdSe single crystal exhibits two absorption lines at 1992 (SeH$_\\parallel$) and 2001 cm-1 (SeH$_\\perp$). Both signals show a red-shift in frequency to 1454 (SeD$_\\parallel$) and 1461 cm-1 (SeD$_\\perp$) when hydrogen is replaced by deuterium. This frequency shift in combination with the fine structure of the absorption lines arising from Se isotopes yields a VCdH2 defect giving rise to SeH$_\\parallel$ and SeH$_\\perp$. This contradicts the previously assignment of the two absorptions lines to an OCd defect. The SeH$_\\parallel$ and SeH$_\\perp$ vibrational modes are found to be aligned parallel and perpendicular to the c-axis of the crystal, respectively. The VCdH2 defect is stable up to a temperature of 525 C.

The electrocatalytic water decomposition has been investigated in this thesis by means of its two half standard reactions: the oxygen evolution reaction (OER) and the hydrogen evolution reaction (HER). These reactions occur in different locations in a typical electrochemical cell: the anode and the cathode, respectively. Motivated by the lack of understanding about the reaction mechanisms occurring at the anodes and cathodes, we have proposed first: novel representations of typical TiO2 surfaces, based on small cluster systems, which can be used for a quick and more detailed assessment of the OER activities at modified TiO2 surfaces, and secondly we investigated the HER in two sets of model surfaces which represent recently synthesized materials, based on Mo2C and graphene with promising activities toward the HER. We have employed Density Functional Theory (DFT) based methods within both localized and extended basis sets, as implemented in GAMESS and VASP packages, respectively, to examine the structural, electronic and vibrational properties of the proposed models. We propose new reaction mechanisms for the OER on a number of molecular representations of TiO2 electrodes. For each reaction pathway, the free energy profile is computed, at different biases, from the DFT energies, the entropic and the zero-point energy contributions. The mechanisms explored in this thesis are found to be energetically more feasible than alternative reaction pathways considered in previous theoretical works based on molecular representations of the TiO2 surfaces. The representation of the surface of specific, commonly occurring, titanium dioxide crystals (e.g., rutile and anatase) within the small cluster approximation is able to reproduce qualitatively the rutile (110) outperforming of the anatase (001) surface. We subsequently investigate the influence of doping TiO2 surfaces with transition metals (TMs) on the performance of TiO2 -based electrodes for the water splitting electrochemical reaction. Two cluster models of the TM-doped active sites which resemble both the TiO2 anatase (001) and rutile (110) surfaces, respectively, are considered for the evaluation of the water decomposition reaction when a Ti is replaced by a TM atom. A set of TMs spanning from Vanadium to Nickel is considered. The late TMs explored here: Fe, Co and Ni are found to reproduce the observed experimental trends for the overpotentials in TiO2-doped electrodes. In the case of Cr and Mn, the present study predicts an enhancement of the OER activity for the anatase-like clusters while a reduction of this activity is found for the rutile-like ones. The vanadium-doped structures do not show relevant influence in the OER activity compared to pure TiO2-based cluster models. The last part of this work is devoted to the theoretical study of the HER on recently found materials based on the synergistic combination of molybdenum carbide and graphene layers. We propose two major structural models to describe the HER mechanism within the framework of DFT: Mo2C-based clusters adsorbed on carbon nanosheets and the Mo2C (001) surface covered by pure and nitrogen-doped graphene layers. The former system evaluates the influence of Mo2C nanoparticles adsorbed on carbon nanosheets towards the HER. The second one is employed to gain insight about the high HER activity observed in molybdenum carbide anchored on nitrogen-doped porous carbon nanosheets (Mo2C@2D-NPC), recently synthesized. The H-adsorption free energy has been used as a principal descriptor to asses the HER activity at the proposed model active sites. It resembles the value for the best state of the art catalyst for the HER (i.e., platinum at carbon substrate Pt@C) in some of the proposed structural models. Furthermore, a pH-correction is added within a simplified model, to the H-adsorption free energy barrier in every proposed structure. The pH dependence of the H-adsorption free energy barriers allows the assessment of the HER at acidic and alkaline conditions simultaneously. An overall agreement with experimental results is found and further predictions, promoting the development of better HER catalysts, have been done.

Die Visualisierung bisher nicht nachweisbarer Defekte in hochwertigem Silizium konnte durch die Entwicklung neuer hochempfindlicher Mikrowellendetektionsverfahren erreicht werden. Dies eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur kontaktlosen und zerstörungsfreien Charakterisierung von Halbleitern. Insbesondere sind bisher unzugängliche Defekte in Silizium und selbst in dünnen epitaktischen Schichten nachweisbar. Elektrische Eigenschaften von Halbleitern wie Lebensdauer, Beweglichkeit und Diffusionslänge können bei kleinen Injektionsraten mit einer Ortsauflösung, die nur durch die Diffusionslänge der Ladungsträger limitiert ist, gemessen werden. Aufgrund der um mehrere Größenordnungen verbesserten Empfindlichkeit kann über ein Mikrowellenabsorptionssignal die Ladungsträgeremission aus Defekten selbst bei qualitativ hochwertigstem Silizium untersucht werden. Dies ermöglicht die Vorhersage elektrischer Eigenschaften von Bauelementen bereits an den Ausgangswafern.

In der vorliegenden Arbeit wird, ausgehend von der Darstellung der Grundlagen der Wasserstoffgasaufbereitungs- und CO–Gasreinigungsverfahren, eine Methodik zur energetischen Modularisierung des Gasaufbereitungsprozesses entwickelt. Die Modellierung und Analyse der einzelnen Prozessstufen erfolgt auf der Basis von Masse- und Energiebilanzen. Die theoretische Darstellung der Lösungsmethoden für die Bilanzgleichungen der einzelnen Prozessstufen ist dabei auf das System Dampfreformierung und CO-Gasreinigung eingegrenzt. Parameter zur energetischen Bewertung der Prozessvarianten werden definiert. Die Methodik führt zur Eingrenzung energetisch optimierter Prozessvarianten. Ihr Hauptziel liegt in der optimalen Nutzung prozessinterner Energie- und Stoffströme. Ein zentraler Bestandteil der Methodik ist die graphische Pinch-Methode. Sie wird dem vorliegenden Prozess angepasst.

Die Sauerstoffausscheidung in Silicium wird durch die Höhe der Bordotierung beeinflusst. Mit dem Ziel der Aufklärung der Mechanismen bei der Ausscheidung wurden verschiedene physikalische Messmethoden angepasst und ein breiter Borkonzentrationsbereich charakterisiert. Es wurden die frühen Phasen der Ausscheidungsbildung sowie Komplexbildung als auch das Wachstum der Sauerstoffausscheidungen untersucht. Mithilfe einer neuen Methodenkombination aus alkalischem Ätzen und FTIR-Spektroskopie konnten verschiedene Bor-Komplexe nachgewiesen werden. Die Erkenntnisse über deren Existenz sowie Kinetik wurden numerisch umgesetzt. Mittels Kleinwinkel-Neutronenstreuung wurden erstmals in den frühen Phasen der Sauerstoffausscheidung deren Form und Größe in Abhängigkeit der Borkonzentration bestimmt. Die physikalischen Prozesse, die zu einem beschleunigten als auch anomalen Ausscheidungsverhalten in Abhängigkeit der Borkonzentration führen, konnten teilweise aufgeklärt werden.