Die Wechselwirkung von Wasser und CO2 mit Oxidoberflächen ist vor allem ein bedeutsames Thema für Umweltnaturwissenschaftler. Der Gebrauch von Wasser als Wasserstoff-Ressource für die Reduktion/Hydrierung von CO2 würde zu einer Reduktion der CO2-Emmissionen in der Atmosphäre führen. Trotz einiger Fortschritte in diesem Bereich sind weitere grundlegende Studien notwendig, um die Wechselwirkung von Wasser und CO2 mit Metalloxidoberflächen zu verstehen und darauf aufbauend eine rationale Gestaltung Katalyse-Prozesse zu ermöglichen. Die vorliegende Arbeit präsentiert grundlegende Studien der Adsorption von Wasser und CO2 auf wohldefinierten Fe3O4(111) Filmen, welche auf einem Pt(111) Einkristall aufgewachsen wurden. Die Oberfläche wurde zuerst durch Adsorption von CO als Sondenmolekül gestützt. Es zeigt sich, dass die Magnetitoberfläche aus einer 1/4-Monoschicht tetraedrisch angeordneter Fe3+-Ionen auf einer dicht gepackten Sauerstoffschicht besteht. Auf dieser gut charakterisierten Oberfläche wurde die Wechselwirkung mit Wasser und CO2 sodann detailliert untersucht. Kombinierte IRAS- und TPD-Daten deckten auf, dass Wasser leicht an der Oberfläche dissoziiert und unter Einbeziehung von Sauerstoffatomen aus dem Wasser selbst bzw. von der Oxidoberfläche zwei Hydroxylspezies bildet. Diese Spezies fungieren als Anker für die molekulare Wasseradsorption, die schließlich zu einer geordneten Struktur führt. DFT-Rechnungen rationalisieren diese Ergebnisse im Rahmen einer kooperativen Bildung des Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerkes. Die Magnetitoberfläche scheint hingegen eher träge gegenüber der CO2-Chemisorption zu sein. Bei niedrigen Temperaturen kann die Bildung schwacher chemisorbierter Spezies als durch Oberflächendefekte bedingt interpretiert werden. In jedem Fall spielt bei höheren Temperaturen das Vorhandensein von Wasser auf der regulären Oberfläche eine entscheidende Rolle in der CO2-Aktivierung und fördert die Bildung von Bikarbonat-Spezies. / The interaction of water and CO2 with oxide surfaces is nowadays a hot topic especially for environmental scientists. The use of water as hydrogen for CO2 reduction/hydrogenation would be the most ideal process, which would contribute to reduce CO2 emission into the atmosphere and minimize the dependence of society on fossil fuels. Despite certain advances in this field, further fundamental studies need to be addressed to understand the interaction of water and CO2 with metal-oxide surfaces for a rational design of heterogeneous catalytic processes. This work presents a fundamental study of the adsorption of water and CO2 on well-defined Fe3O4(111) films grown on Pt(111) single crystal. To understand the adsorption properties of the iron oxide film, the surface has been characterized using CO as probe molecule. The characterization showed that the magnetite surface is terminated by a 1/4 monolayer of tetrahedrally coordinated Fe3+ ions on top of a close-packed oxygen layer. On this well characterized surface, the interaction with water and CO2 has been investigated in detail. Combined IRAS and TPD data revealed that water readily dissociates on the surface, forming two hydroxyl species, OwH and OsH, involving oxygen atoms from the water (w) itself and from the oxide surface (s), respectively. At increasing coverage, these species act as anchors for molecular water adsorption ultimately giving rise to a long-range ordered architecture. DFT calculations rationalized these data in the framework of cooperative formation of the hydrogen bonding network. Moreover, Fe3O4(111) seems to be rather inert towards CO2 chemisorption at low temperatures, and the formation of weak chemisorbed species may be interpreted as driven by surface imperfections. At higher temperatures, the presence of water on the regular surface (induced and/or just as residual gas adsorption) plays a critical role in the CO2 activation, promoting the formation of bicarbonate-like species.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Thermodynamik und Kinetik der Proteinadsorption auf neutralen sowie geladenen, kolloidalen Kern-Schale-Mikrogelen untersucht. Die weiche polymere Schicht der Schale reagiert mit großen Volumenänderungen auf Änderungen der Umgebungstemperatur, des pH-Wertes oder der Salzkonzentration. Untersuchungen mit Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FT-IR) zeigten, dass generell die native Sekundärstruktur der verwendeten Proteine, die auf den Mikrogelen adsorbiert wurden, erhalten blieb. Im Gegensatz zur Proteinadsorption auf festen Oberflächen wurde zudem eine hohe katalytische Aktivität der Enzyme nach der Immobilisierung verzeichnet, die gegenüber derjenigen der freien Enzyme in manchen Fällen sogar erhöht war. Mithilfe der isothermalen Titrationskalorimetrie (ITC) und FT-IR Spektroskopie wurden als treibende Kräfte des Adsorptionsprozesses elektrostatische und hydrophobe Wechselwirkungen identifiziert. Weitere Untersuchungen zeigten, dass im Falle von geladenen Mikrogelen das elektrostatische Potential wie auch der abgesenkte lokale pH-Wert innerhalb des Netzwerks eine Änderung des Ladungszustands der adsorbierenden Proteine zur Folge hat. Zusätzlich konnte mithilfe der Fluoreszenzspektroskopie und der Verwendung Fluoreszenz-markierter Proteine die kinetische Aufnahme in die Mikrogele als auch die Reversibilität der Reaktion analysiert werden. Es wurde dabei ein dynamischer Austausch zwischen gebundenen und freien Proteinmolekülen nachgewiesen, welcher die Verwendung von Gleichgewichtsmodellen für die Beschreibung der Proteinadsorption rechtfertigt. Außerdem erfolgt der Vorgang in zwei Schritten: i) ein schneller diffusionslimitierter Schritt, in dem der Hauptteil der gesamten Proteinmenge bindet und ii) ein anschließender wesentlich langsamerer Bindungsvorgang. Die Adsorptionsexperimente wurden anschließend auf Untersuchungen in binären Proteinmischungen ausgedehnt, um die kompetitive Proteinadsorption zu studieren. / In the present work the thermodynamics and the kinetic mechanism of protein adsorption to charged and uncharged core-shell microgels of colloidal dimension were explored. The soft polymeric layer of the shell is sensitive towards changes of the temperature, pH value, and salt concentration of the solution which results in a drastic volume change upon change of one of these triggers. Studies with Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy showed, that the secondary structure of the proteins used was significantly retained after immobilisation regardless of the charge state of the microgels employed. Moreover, unlike protein adsorption onto solid surfaces immobilisation into the networks did not compromise the catalytic activity of the proteins. Actually, an enhanced activity was found for some cases. The thermodynamic analysis performed by isothermal titration calorimetry (ITC) and structural investigations by FT-IR spectroscopy experiments led to the identification of the electrostatic and hydrophobic interactions as the main driving forces of protein adsorption. Further studies showed that proteins bound to negatively charged gel networks regulate their charge according to the electrostatic potential and to the lowered local pH value around the hydrogels. Fluorescence spectroscopy experiments with fluorescent-tagged proteins were suitable to analyse the kinetic uptake of the proteins into the gel networks as well as the reversibility of binding. It was demonstrated that bound proteins are dynamically exchanged by proteins in solution which justifies the application of equilibrium binding models to quantify the adsorption data. Moreover, the adsorption of proteins proceeds in two steps: i) a fast, diffusion-limited binding regime in which the majority of proteins is bound and ii) a second slow binding regime. The adsorption experiments were extended to binary protein mixtures in order to study competitive protein adsorption.

Die Thermodynamik von Adsorptionsvorgängen wurde mittels quantenchemischer Methoden und der statistischen Thermodynamik untersucht. Eine neue rechentechnische Methode wird vorgestellt, die den Mangel an Genauigkeit vorhandener Methoden zur Untersuchung periodischer Systeme, wie z. B. der Dichte-Funktional-Theorie, behebt, und es ermöglicht thermodynamische Funktionen mit chemischer Genauigkeit zu bestimmen. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Protokoll besteht aus verschiedenen rechentechnischen Schritten, als da wären, eine Strukturoptimierung in Normalkoordinaten anstatt in kartesischen Koordinaten, eine numerische Berechnung der harmonischen Frequenzen durch Abtasten der Potentialenergieoberfläche entlang der Normalkoordinaten und anschließender anharmonischer Korrektur. Die Normalkoordinatenoptimierung garantiert eine korrekte Relaxation der Struktur mit ausschließlich reellen harmonischen Frequenzen. Die anharmonischen Korrekturen ermöglichen eine gute Beschreibung der Schwingungsstrukturen von Systemen die durch eine besonders Flache PES gekennzeichnet sind. Gleichzeitig, wird durch die Verwendung eines QM:QM-Hybridverfahrens zur Bestimmung des elektronischen Anteils der Adsorptionsenergie eine höhere Genauigkeit in der Bestimmung der Korrelationsenergie im Vergleich zu DFT garantiert. Der elektronische Anteil der Adsorptionsenergie, sowie der Schwingungsthermische Anteil werden abschließend kombiniert um einen genauen Wert der thermodynamischen Funktionen zu erhalten. / The thermodynamic of adsorption is investigated from the vibrational point of view using quantum chemical methods via statistical mechanics. Due to the lack of accuracy of the present available methods for investigating periodic systems, such as plane-wave density functional theory (DFT), a novel computational strategy is presented to overcome these limitations and bring the estimate of the thermodynamic functions within chemical accuracy limits. The protocol presented in this work consists of different computational steps, namely a structure optimization using normal mode coordinates instead of Cartesians, a numerical harmonic frequency calculation via sampling of the potential energy surface along the normal mode coordinates and the inclusion of anharmonic correction to the latter. The normal mode coordinate optimization ensures a proper relaxation of the structure and a reliable set of real harmonic frequencies while the anharmonic corrections account for a proper description of the vibrational structure of a system characterized by a very flat potential energy surface. Parallel to these calculations the electronic part of the adsorption energy is corrected using a hybrid QM:QM scheme to account the electronic correlations effects more accurately than DFT. The hybrid electronic adsorption energy and the vibrational thermal contributions obtained using anharmonic corrections are finally combined to get accurate estimate of the adsorption thermodynamic functions.

Um die Korrelation zwischen Partikelgröße und Reaktivität von Pd Nanopartikeln auf Eisenoxid zu untersuchen wurde die experimentelle Methode Einkristalladsorptionskalorimetrie mit der Präparation von Modellsystemen kombiniert. Da diese Systeme mit mikroskopischen Methoden untersucht wurden, liegen detaillierte strukturelle Informationen vor. Es konnte gezeigt werden, dass die Adsorptionsenergie auf 3.4 nm großen Pd Nanopartikeln um 69 kJ/mol höher ist als auf Pd(111). Dieser Effekt resultiert aus der Änderung des Adsorptionsplatzes von Facettenplätzen auf Pd(111) zu Kantenplätzen auf Pd Nanopartikeln. Die Änderung der Partikelgröße im Bereich 3.4 nm - 1.9 nm führt zu einer Verringerung der Adsorptionsenergie um 70 kJ/mol. Eine Reduktion der Adsorptionsenergie auf kleineren Nanopartikeln wurde auch für CO gemessen. Die Differenz in der Pd-O Bindungsenergie zwischen den verschiedenen Systemen verringert sich bei erhöhter Adsorbatbedeckung. Die Anzahl adsorbierter Sauerstoffatome auf frisch präparierten Pd Nanopartikeln bei 300 K ist um drei bis vier mal höher als die Anzahl an Sauerstoffatomen welche Pd Oberflächenplätze sättigen können. Diese Beobachtung kann mit Sauerstoffdiffusion in die Nanopartikel oder in den Träger erklärt werden. Die Wechselwirkung zwischen Sauerstoff und CO auf Pd(111) und Pd Nanopartikeln verschiedener Größen wurde als Funktion der Bedeckung studiert. Aufgrund der CO-O Wechselwirkung verringert sich die CO Adsorptionsenergie um ~40 kJ/mol auf sauerstoffvorbedeckten Pd(111) und Pd Nanopartikeln der Größen 2.9 nm und 3.4 nm. / To determine the correlation between the particle size and the reactivity of Pd nanoparticles, which are supported on iron oxide, the experimental method single crystal adsorption calorimetry has been combined with the preparation of model systems. Detailed structural information on the supported systems is available from previous structural studies. It was found that the oxygen adsorption energy is 69 kJ/mol higher on 3.4 nm sized Pd nanoparticles compared to Pd(111) due to a change of the local adsorption site from threefold hollow to low coordinated sites. A reduction of the particle size in the range 3.4 nm - 1.9 nm was found to lead to a decrease of the adsorption energy by 70 kJ/mol. A reduction of the adsorbate binding energy has also been found for CO. The difference in the Pd-O binding energy between the different systems decreases with increasing coverage. It was demonstrated that the number of adsorbed oxygen atoms on freshly prepared Pd nanoparticles at 300 K is three to four times higher than the amount of oxygen atoms which saturate the Pd surface sites. This observation can be explained with oxygen diffusion either into the nanoparticles or into the support. The interaction between oxygen and CO has been studied on Pd(111) and Pd nanoparticles of different sizes as a function of the coverage. Due to CO-O interaction, the CO adsorption energy is reduced by ~40 kJ/mol on oxygen precovered Pd(111) and Pd nanoparticles of 2.9 nm and 3.4 nm.

Proteinadsorption ist in vielen biotechnologischen Anwendungen ubiquitär und ein zentrales Forschungsfeld in der Physik der weichen Materie. Das Verstehen der treibenden Kräfte hinter der Proteinadsorption würde zu einer besseren Kontrolle des Adsorptionsprozesses führen und die Entwicklung von Biosystemen mit beispielloser Funktionalität ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird die Proteinadsorption an weichen polymerartigen Biomaterialien sowie deren physikalische Wechselwirkungen unter Verwendung von zwei unterschiedlichen neu entwickelten Ansätzen theoretisch untersucht. Im ersten Teil wird ein neues mehrkomponentiges kooperatives Bindungsmodell entwickelt, um die Gleichgewichts-Adsorption von Proteinen auf Mikrogelen zu beschreiben. Es war somit möglich, die wahre treibende Kraft der Proteinadsorption zu identifizieren, die hauptsächlich elektrostatischen Ursprungs ist. Eine Errungenschaft des kooperativen Bindungsmodells ist die Vorhersage der kompetitiven Proteinadsorption und -desorption auf das Mikrogel, die auf thermodynamischen Parametern der Adsorption von Proteinen einzelner Sorten basiert. Vergleiche zwischen Experimenten mit binären Proteinmischungen und theoretischen Berechnungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen. Der zweite Teil fokussiert auf Protein-Wechselwirkungen mit Polyelektrolyten, um Adsorptionsprozesse auf mikroskopischer Ebene zu erklären. Dafür wurden geladene fleckige Partikel konstruiert und als Proteinmodelle verwendet, während ein einfaches Kugel-Feder-Modell für das Polyelektrolyt und Polyelektrolytbürste benutzt wurde. Ein zentraler Aspekt war die Bestimmung der freien Energie, das Potential der mittleren Kraft (PMF), für die Komplexbildung der beiden Bestandteile mit Vergleichen zur Modellentwicklungen. Die Simulationsergebnisse legen ein komplexes Wechselspiel von elektrostatischen Kräften und Ionenfreisetzungsmechanismen dar, die für die starken attraktiven Wechselwirkungen in den PMFs verantwortlich sind. / Protein adsorption is ubiquitous in many biotechnological applications and has become a central research field in soft matter. Understanding the driving forces behind protein adsorption would allow a better control of the adsorption process and the development of biosystems with unprecedented functionality. In this thesis, protein adsorption onto soft polymeric biomaterials and their physical interactions is studied theoretically by using two different and newly developed approaches. In the first part, a novel multi-component cooperative binding model is developed to describe the equilibrium adsorption of proteins onto microgels. It was thus possible to correctly identify the true driving force behind the protein adsorption which was found to be mainly of electrostatic origin. A key achievement by the cooperative binding model is the prediction of competitive protein adsorption and desorption onto the microgel that is based on thermodynamic parameters related to single-type protein adsorption without any variable parameters. Comparisons between experimental data of binary protein mixtures and theoretical calculations have shown excellent agreements. The second part is focused on protein interactions with polyelectrolyte materials to elucidate adsorption processes on a microscopic level. For this purpose, charged patchy particles are constructed and used as protein models while a simple bead-spring model is employed for the polyelectrolyte and polyelectrolyte brush. A central aspect was the determination of the associated free energy, the potential of mean force (PMF), on the complex formation between the two constituents with comparisons to theoretical model developments. The simulation results evidenced a complex interplay of electrostatic forces and ion release mechanisms to be responsible for the strong attractive interactions observed in the PMFs.