Zielsetzung dieser Arbeit war es, das Verhalten der in modernen Sonnenschutzmitteln eingesetzten Titandioxid-Mikropartikel mit quantitativen Methoden zu bestimmen, um Aussagen über ihre Eignung zu erhalten. Dabei stand die Frage nach der Verteilung der Substanz innerhalb des Stratum corneum im Mittelpunkt der Untersuchungen. Insbesondere war wegen der bekannten photokatalytischen Aktivität von Titandioxid zu klären, ob ein Kontakt mit den lebenden Bereichen der Haut ausgeschlossen werden kann. Für die Messungen wurden zwei kommerziell genutzte, unterschiedlich beschichtete Titandioxid-Mikropartikel eingesetzt. Eine wesentliche Voraussetzung für diese Untersuchungen war die Anwendung der Abrissmethode (Tape stripping) in Kombination mit der spektroskopischen Bestimmung der Extinktion im sichtbaren Bereich zur Berechnung des Hornschichtprofils. Die Konzentration der Titandioxid-Partikel wurde mit Hilfe von Röntgenfluoreszenz-Messungen bestimmt. So war es erstmals möglich, in vivo standardisierte und reproduzierbare Untersuchungen zum Penetrationsverhalten von beschichteten Titandioxid-Mikropartikeln in die Hornschicht der menschlichen Haut durchzuführen. Durch Langzeitapplikation der Substanzen und die Beobachtung der Titandioxid-konzentrationen in der Hornschicht über mehrere Tage konnten auch Aussagen zum Penetrationsverhalten der applizierten Mikropartikel gemacht werden. Es wurde eindeutig gezeigt, dass die untersuchten Substanzen unabhängig von ihrer Struktur, von ihrer Beschichtung und vom Probanden hauptsächlich in den obersten Schichten des Stratum corneum lokalisiert sind. Nach Klärung dieser grundsätzlichen Fragen war es notwendig, die Ursache für das Auftreten extrem geringer Titandioxid-Konzentrationen auf Abrissen zu bestimmen, die aus tieferen Schichten des Stratum corneum entnommen wurden. Durch die Kombination der Abrissmethode mit einem speziellen Färbeverfahren und der Laser-Scan-Mikroskopie ergaben sich deutliche Hinweise auf die Bedeutung der Follikelkanäle für das beobachtete Phänomen. Röntgenspektroskopische Untersuchungen an Biopsien zeigten, dass diese Mikropartikel in die Haarfollikel eindringen und damit Bereiche unterhalb des Stratum corneum erreichen. Hierbei wurden die Mikropartikel in dieser Region nur in Follikelkanälen, nicht aber im Bereich der lebenden Zellen nachgewiesen. Diese Ergebnisse belegen, dass Titandioxid nur in einzelne Follikelkanäle penetriert, eine Aussage, die im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen erstmals beschrieben wurde. In Übereinstimmung mit der Zielsetzung der Arbeit konnte unter Einsatz unterschiedlicher Untersuchungsmethoden gezeigt werden, dass die beschichteten Titandioxid-Mikropartikel im oberen Bereich der Hornschicht lokalisiert sind und damit als hocheffiziente Lichtschutzfilter den Schutz der darunter liegenden lebenden Bereiche der Haut garantieren. Der sichere Nachweis der Titandioxid-Mikropartikel innerhalb einzelner Follikelkanäle besitzt grundsätzliche Bedeutung für das Verständnis von Penetrationswegen. / The objective of this work was to determine the behaviour of titanium dioxide microparticles, used in modern sunscreen agents, with quantitative methods in order to receive statements about their suitability. The focal point of the investigations was the question on the distribution of the substance within the stratum corneum. Because of the well-known photocatalytic activity of titanium dioxide, our aim was to clarify whether a contact with the living cells of the skin could be excluded. For these measurements, two commercial titanium dioxide micro particles were used, covered with different coating materials. The calculation of the stratum corneum profile was a substantial prerequisite for these investigations. This was done by application of the tape stripping method in combination with the spectroscopic determination of the absorption in the visible range. The concentration of the titanium dioxide particles on the tape strips was determined by X-ray fluorescence measurements. In this manner it was possible for the first time, to perform standardized and reproducible in vivo measurements to investigate the penetration behaviour of coated titanium dioxide micro particles into the horny layer of the human skin. Predications could be made about the penetration behaviour of the applied micro particles by observation of the titanium dioxide concentrations in the stratum corneum during several days after long-term application of the substances. It could be shown that the examined substances were localized mainly in the upper layers of the stratum corneum, independently of their structure, coating and the volunteers. After clarifying these basic questions, it was necessary to explain the occurrence of extremely small concentrations of titanium-dioxide on tape strips, which were taken from deeper layers of the stratum corneum. This observed phenomenon was investigated by combining tape stripping with a selective staining of the tapes and with laser scanning microscopy. Investigations of a biopsy with x ray fluorescence measurements showed that the micro particles penetrate into the hair follicles, and in this manner reached areas below the stratum corneum. In this region, the micro particles were found only in follicle channels, but not within the area of the living cells. These results prove that titanium dioxide micro particles only penetrate into single follicle channels, a statement, which has been described here for the first time. In agreement with the objective of this thesis, it was shown, that the coated titanium dioxide micro particles were localized within the upper area of the horny layer and as high efficient sunscreen filters consequently guarantee, the protection of the living areas of the skin below. The proof of the titanium dioxide micro particles within individual follicle channels has basic importance for the understanding of the penetration pathways.

The catalycal oxidation of hydrogen sulphide in presence of small amounts of hexan has been investigated over a Titania catalyst. H2S is converted into sulphur. Nevertheless the catalyst undergoes a deactivation through coke formation. In order to explain the coke profile in the inner of the catalyst's pellet, the influence of the internal heat and mass transfers has been considered using a pore network. / Die katalytische Oxydation von Schwefelwasserstoff auf einem TiO2-Anatase-Katalysator wird in Anwesenheit von n-Hexan durchgeführt. Schwefel wird gebildet. Der Katalysator unterliegt jedoch eine schnelle Deaktivierung durch Russbildung, die anhand eines Porennetzwerksmodells simuliert werden wird. Sowohl Stoff- als auch Wärmetransport werden berücksichtigt.

Um die Nanomaterialien bei keramischen Formgebungsprozessen verarbeiten zu können, stellt die nasse Homogenisierung, Dispergierung und die Granulierung eine wichtige Grundlage dar. Durch die organischen Additive, verschiedenen Feststoffgehalte der Suspensionen und Granulierungsverfahren lassen sich die Strukturen, Porositäten und Festigkeiten der Einzelgranalien beeinflussen. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen den Einzelgranalien-Eigenschaften und dem Granulathaufwerk. Diese Granulateigenschaftskorrelationen bei den untersuchten Sprüh-Gefrier-Granulaten und Sprühgranulaten spielen eine wichtige Rolle für die optimale technologische Verarbeitung der Granulate als Pressgranulat und als Instantgranulat. Sowohl für ein defektärmeres Gefüge im Presskörper als auch für die vollständige Redispergierbarkeit der Granulate sind die lockeren Sprüh-Gefrier-Granalien mit niedrigen Einzelgranalienfestigkeiten und hohen Einzelgranalienporositäten vorteilhaft. Es konnte gezeigt werden, dass eine qualitative Maßstabübertragung der Sprüh-Gefrier-Granulierung vom Labor in eine Technikums- oder auch großtechnische Anwendung prinzipiell möglich ist.

Beim Flammspritzen von Mischungen im System Al2O3-TiO2-ZrO2 treten vielfältige Effekte auf. Es kommt z.B. zur Ausbildung eines amorphen Anteils, der in Form von amorphen Sublamellen, dem primären amorphen Anteil, und in dendritisch geprägten Bereichen, dem sekundären amorphen Anteil im Gefüge vorliegt. Dieser beeinflusst die mechanischen Eigenschaften deutlich. Bei einer Temperaturbehandlung entstehende Ausscheidungen von ZrO2 oder verschiedenen Zirkoniumtitanaten beeinflussen die mechanischen Eigenschaften ebenfalls signifikant.

In der vorliegenden Arbeit werden die Synthese und die Charakterisierung neuer Titan-oxo-Monomere beschrieben. Ein weiterer Teil beschäftigt sich mit dem kationischen Polymerisationsverhalten dieser Verbindungen, welche dem Typ der „Zwillingspolymerisationen“ zugeordnet werden kann. Die Charakterisierung der dabei entstehenden nanostrukturierten Hybridmaterialien aus Titandioxid und organischen Polymeren wird beschrieben. Als Vergleich dienen Simultanpolymerisationen von Titanalkoxiden und polymerisierbaren organischen Alkoholen.

Um die Nanomaterialien bei keramischen Formgebungsprozessen verarbeiten zu können, stellt die nasse Homogenisierung, Dispergierung und die Granulierung eine wichtige Grundlage dar. Durch die organischen Additive, verschiedenen Feststoffgehalte der Suspensionen und Granulierungsverfahren lassen sich die Strukturen, Porositäten und Festigkeiten der Einzelgranalien beeinflussen. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen den Einzelgranalien-Eigenschaften und dem Granulathaufwerk. Diese Granulateigenschaftskorrelationen bei den untersuchten Sprüh-Gefrier-Granulaten und Sprühgranulaten spielen eine wichtige Rolle für die optimale technologische Verarbeitung der Granulate als Pressgranulat und als Instantgranulat. Sowohl für ein defektärmeres Gefüge im Presskörper als auch für die vollständige Redispergierbarkeit der Granulate sind die lockeren Sprüh-Gefrier-Granalien mit niedrigen Einzelgranalienfestigkeiten und hohen Einzelgranalienporositäten vorteilhaft. Es konnte gezeigt werden, dass eine qualitative Maßstabübertragung der Sprüh-Gefrier-Granulierung vom Labor in eine Technikums- oder auch großtechnische Anwendung prinzipiell möglich ist.

Beim Flammspritzen von Mischungen im System Al2O3-TiO2-ZrO2 treten vielfältige Effekte auf. Es kommt z.B. zur Ausbildung eines amorphen Anteils, der in Form von amorphen Sublamellen, dem primären amorphen Anteil, und in dendritisch geprägten Bereichen, dem sekundären amorphen Anteil im Gefüge vorliegt. Dieser beeinflusst die mechanischen Eigenschaften deutlich. Bei einer Temperaturbehandlung entstehende Ausscheidungen von ZrO2 oder verschiedenen Zirkoniumtitanaten beeinflussen die mechanischen Eigenschaften ebenfalls signifikant.

Die vorliegende Arbeit entstand im Zeitraum von 05/2014 bis 03/2017 in Kooperation mit Umicore AG & Co. KG und ist thematisch direkt mit dem BMWi-Projekt „NeoKarII“ mit der Suche nach neuartigen, oxidischen Elektrodenmaterialien für Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM-FC) verknüpft. In dieser Arbeit wurden verschiedene oxidische Materialien über Sol-Gel- und Imprägnationsverfahren hergestellt und deren Eignung für eine Brennstoffzellenanwendung geprüft. Neben umfassenden röntgenographischen Untersuchungen zu den Stoffsystemen IrO2-TiO2, IrO2-SnO2 und Cr2O3-TiO2 sind in dieser Arbeit auch zusammensetzungsabhängige Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit gezeigt. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Leitfähigkeitsversuchsstand mit einer 2-Punkt-Durchgangswiderstandsmessmethode entwickelt und in Betrieb genommen. Der halbautomatische Versuchsstand ermöglicht eine temperatur- und druckprogrammierte Vermessung pulverförmiger Werkstoffe. / This thesis was developed between 05/2014 and 03/2017 together with Umicore AG & Co. KG and is related to the BMWi project 'NeoKarII' with the search for novel, oxidic electrode materials for polymer electrolyte fuel cells (PEM-FC). In this work, various oxidic materials were prepared by sol-gel and impregnation processes and their suitability for a fuel cell application was tested. In addition to comprehensive X-ray diffraction examinations of the materials systems IrO2-TiO2, IrO2-SnO2 and Cr2O3-TiO2, the composition dependence of electrical conductivity is also shown. For this purpose, a new measurement setup with a 2-point resistance measurement method was developed and brought into services. The semi-automatic setup allows a temperature- and pressure-programmed measurement of powdered materials.

In dieser Arbeit wurde eine systematische Untersuchung der Abscheidung von TiO2 mittels reaktiver Ionenstrahlzerstäubung von einem metallischen Ti-Target sowie von einem keramischen TiO2-Target durchgeführt. Der Einfluss der Prozessparameter, d.h. der Ionensorte, der Ionenenergie, des Einfalls- und Emissionswinkels sowie des Targetmaterials, auf die Eigenschaften der Sekundärteilchen und der TiO2-Schichten wurde untersucht. Der Ionenstrahl wurde mit einer Faradaysonde, einem Gegenfeldanalysator und einem energieselektiven Massenspektrometer charakterisiert. Das Massenspektrometer wurde auch zur Untersuchung der Massen- und Energieverteilung der Sekundärionen eingesetzt. Mit SDTrimSP simulierte Energieverteilungen der Sekundärteilchen zeigten eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Energieverteilungen der Sekundärionen. Die TiO2-Schichten wurden mittels Ellipsometrie, Röntgendiffraktometrie, -reflektometrie, Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie und Rasterkraftmikroskopie untersucht. Eine Verringerung des Streuwinkel führte zu einer Erhöhung der Sekundärteilchenenergien, resultierend daraus wurde eine verstärkte Implantation von Primärteilchen, eine Oberflächenglättung sowie eine systematischen Änderung der Massendichte und folglich der optischen Eigenschaften beobachtet. Die Ionenenergie und das Targetmaterial spielten dabei eine untergeordnete Rolle. / A systematic investigation of the reactive ion beam sputter deposition of TiO2 from a metallic Ti and a ceramic TiO2 target was performed. The influence of the process parameters, i.e. the ion species, ion energy, ion incidence angle, emission angle, and the target material, on the properties of the secondary particles and the TiO2 films was investigated. The ion beam was characterized with a Faraday probe, a retarding potential analyzer, and an energy-selective mass spectrometer. The mass spectrometer was also used to determine the mass and energy distribution of the secondary ions. The experimentally obtained energy distributions were compared to the energy distributions of the secondary particles that were simulated with SDTrimSP. A good agreement was found. The TiO2 films were investigated by spectroscopic ellipsometry, X-ray diffraction, X-ray reflectivity, Rutherford backscattering spectrometry, and atomic force microscopy. Reducing the scattering angle lead to an increase of the secondary particle energies, resulting in an enhanced implantation of primary particles, surface smoothing, and a systematic change of the mass density and consequently of the optical properties. The ion energy and the target material had a minor influence.

The catalycal oxidation of hydrogen sulphide in presence of small amounts of hexan has been investigated over a Titania catalyst. H2S is converted into sulphur. Nevertheless the catalyst undergoes a deactivation through coke formation. In order to explain the coke profile in the inner of the catalyst's pellet, the influence of the internal heat and mass transfers has been considered using a pore network. / Die katalytische Oxydation von Schwefelwasserstoff auf einem TiO2-Anatase-Katalysator wird in Anwesenheit von n-Hexan durchgeführt. Schwefel wird gebildet. Der Katalysator unterliegt jedoch eine schnelle Deaktivierung durch Russbildung, die anhand eines Porennetzwerksmodells simuliert werden wird. Sowohl Stoff- als auch Wärmetransport werden berücksichtigt.