Aktuelle Entwicklungsarbeiten im Bereich der Hydrothermalen Prozesse (HTP) setzen auf eine deutliche Verbreiterung der Produktpalette, von Kraftstoffkomponenten über Feinchemikalien bis hin zu Funktionskohlenstoff. Damit werden, insbesondere auf der Basis von sortenreiner Biomasse, neue interessante Wertschöpfungsketten möglich. Eine Vielzahl neuer Ansätze und Entwicklungstrends konnten beim diesjährigen 2. Fachforum „Hydrothermale Prozesse“ am 8./9. September 2016 präsentiert werden. Für das bisher mitunter als Problem der Hydrothermalen Prozesse angesehene Prozesswasser wurden neue Wege zur Nutzung vorgestellt, die eine gekoppelte Gewinnung von weiteren Wertstoffen oder Bereitstellung von Energie ermöglichen. Die Weiterentwicklung des hydrothermalen Prozesses sollte damit nicht mehr an einem Abwasserproblem scheitern. Darüber hinaus wurden Demonstrationsanlagen für die hydrothermale Carbonisierung vorgestellt, die mehrere tausend Betriebsstunden ohne nennenswerte Probleme absolviert haben. Allerdings wurde im Bereich von Neuinvestitionen in HTC-Anlagen vor allem von Aktivitäten im nichteuropäischen Ausland berichtet. Hier sind verstärkte Aktivitäten erforderlich, damit Deutschland seine Technologieführerschaft behält und sich bei den Entwicklungen für die neuen Anwendungsfelder platzieren kann. Zahlreiche weitere Aspekte und Forschungsergebnisse können im vorliegenden Tagungsreader anhand von Abstracts und Präsentationsfolien nachvollzogen werden.

Funktionale organische Moleküle bergen ein hohes Potential für den Einsatz in zukunftsprägenden Technologien wie organischen Leuchtdioden (OLED), Solarzellen, Transistoren und Bio-Sensoren. Eines der Herstellungsverfahren beruht auf der Gasphasenabscheidung der Moleküle, die auf dem Substrat mittels Selbstorganisation zu dünnen Schichten wachsen. Auf Grund der komplexen Wechselwirkungen und des Einflusses der Schichtmorphologie auf die Funktionalität der dünnen Schichten stellt der Wachstumsprozess sowohl für die anwendungsorientierte als auch für die Grundlagenforschung eine hochinteressante und wichtige wissenschaftliche Herausforderung dar, mit der sich die vorliegende Arbeit auseinandersetzt. Die experimentellen Resultate und Konzepte, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, leisten neue Beiträge für das Verständnis von organischem Wachstum. Der demonstrierte Einfluss von chemischer Modifikation auf verschiedene Aspekte des Strukturwachstums, wie z.B. auf die Filmrauigkeit, Kristallphasenreinheit und molekulare Diffusivität, zeigt zudem das hohe Potential dieser Methode zur Steuerung des organischen Wachstums. Aus den genannten Gründen kann diese Arbeit neue Impulse für die Erforschung und spätere Anwendung von funktionalen organischen Dünnschichtsystemen setzen. / Functional organic molecules are promising for the application in future relevant technologies such as organic light emitting diodes (OLEDs), solar cells, transistors and bio-sensors. One of the processing methods to fabricate organic devices is organic molecular beam deposition. In this process, the complexly interacting molecules grow via self-assembly as thin films on a substrate. Due to the close structure-property relationship, the growth process constitutes a highly interesting and important scientific challenge for both application oriented as well as fundamental research and is the topic of the present thesis. The experimental results and conceptual methods presented in this thesis contribute new stimuli to the understanding of the molecular self-assembly. The demonstrated influence of chemical tuning on various facets of structure formation, such as film roughness, crystal phase purity and molecular diffusivities, uncovers the strong potential of this approach for steering organic growth. Therefore, the present work has implications for future research and application of functional organic thin films.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von porösen Kohlenstoffmaterialien. Zum einen werden poröse Kohlenstoffe (C) für die Anwendung in Siliziumcarbid (SiC) faserverstärkten Verbundwerkstoffen (SiC/C) untersucht, deren Kohlenstoffmatrix definierte Porengrößen im einstelligen Mikrometerbereich aufweisen sollen, um anschließend über das Flüssigsilizierverfahren (LSI) eine stöchiometrische Umsetzung dieser mit flüssigen Silizium zu einer Siliziumcarbid-Matrix zu gewährleisten. Erhalten wird ein keramischer SiC/SiC-Faserverbundwerkstoff, der aufgrund seiner Beständigkeit in Hochtemperatur-Sauerstoffatmosphäre, für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt geeignet ist. Für dieses Ziel wurden verschiedene Kohlenstoffprecursoren, die Resole, Novolake und stickstoffhaltigen Phenolharze unter Zugabe von β-Naphthol, entwickelt. Darüber hinaus lag der Schwerpunkt dieser Arbeit in der Herstellung von porösen Kohlenstoffschäumen. Dafür wurden organische Carbonate dargestellt, deren Substituenten einer Stufenwachstumspolymerisation befähigt sind. In der Schmelze polymerisieren diese Säure-katalysiert und setzen dabei Kohlenstoffdioxid frei, welches gleichzeitig das Polymer schäumt. Die Zugabe eines geeigneten Tensides stabilisiert die Kohlenstoffdioxidblasen und generiert Schäume unter einer hohen Volumenexpansion. Die organischen Carbonate wurden zudem simultan mit Zwillingsmonomeren kationisch polymerisiert um einen Hybridmaterialschaum zu synthetisieren, der anschließend in hierarchisch strukturierte poröse Kohlenstoff- und Siliziumdioxidschäume umgewandelt werden kann. Neben klassischen Methoden zur Aufklärung der molekularen Strukturen, wie der Kernspinresonanz- (NMR) und Infrarot (IR)-Spektroskopie, wurden Morphologie und Porosität mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie (REM) beziehungsweise Stickstoffsorption und Quecksilberporosimetrie untersucht. Überdies kamen DSC (Dynamische Differenzkalorimetrie) und TGA (Thermogravimetrische Analyse) zur Untersuchung des thermischen Verhaltens der Monomere und Polymere zum Einsatz.:1 Einleitung 2 Motivation und Zielsetzung 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Poröse Materialien und deren Charakterisierung 3.1.1 Einteilung nach der Porengröße 3.1.2 Einteilung nach der Porenmorphologie 3.1.3 Beschreibung und Bestimmung von der Porosität 3.1.4 Charakterisierung von Mikro- und Mesoporen 3.2 Herstellung von porösen Kohlenstoff- und Siliziumdioxidmaterialien 3.2.1 Harttemplatsynthesen 3.2.2 Weichtemplatsynthesen 3.2.3 Gelsynthesen und Emulsionstechniken 3.2.4 Schäumungsprozesse 3.2.5 Hybridmaterialien 3.2.6 Zwillingspolymerisation 3.2.7 Hierarchisch strukturierte Kohlenstoffmaterialien mittels Zwillingspolymerisation 3.3 Verwendung von porösen Kohlenstoffmaterialien 3.3.1 SiC/SiC-Faserverbundwerkstoffe 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Synthese von Phenolharzen als Kohlenstoffprecursoren für SiC/C Faserverbundwerkstoffe 4.1.1 Anforderungen an die Kohlenstoffprecursoren für eine SiC-Matrix 4.1.2 Resole 4.1.3 Novolake und stickstoffhaltige Phenolharze 4.1.4 Molmassen 4.1.1 DSC- und Rheologie-Untersuchungen 4.1.2 Aushärtung der flüssigen Harzformulierungen 4.1.2.1 13C-{1H}-CP-MAS-NMR-Spektroskopie 4.1.3 Herstellung von Kohlenstoffen 4.1.4 Untersuchung der Morphologie und Porosität 4.1.4.1 Ausgehärtete Harze 4.1.4.2 Kohlenstoff 4.1.5 Herstellung und Charakterisierung der SiC/C-Faserverbundwerkstoffe 4.1.6 Untersuchung zur Struktur des Kohlenstoffs 4.1.7 Silizierung der Kohlenstoffe 4.1.8 Porosität durch Catecholoxalat 4.2 Kationische Polymerisation von organischen Carbonaten 4.2.1 Synthese organischer Carbonate 4.2.2 Polymerisationsverhalten organischer Carbonate 4.2.3 Kationische Polymerisation organischer Carbonate 4.2.4 Molmassen und thermisches Verhalten 4.2.5 Morphologie der Polymerschäume 4.2.6 Molekulare Struktur 4.2.7 Poröse Kohlenstoffe 4.3 Simultane Polymerisation von organischen Carbonaten und Zwillingsmonomeren 4.3.1 Theoretische Betrachtungen 4.3.2 Polymerisationsverhalten der Monomermischungen 4.3.3 Variation der Reaktionsbedingungen 4.3.4 Morphologie der Organik/SiO2-Hybridmaterialschäume 4.3.5 Molekulare Struktur der Organik/SiO2-Hybridmaterialschäume 4.3.5.1 13C {1H} CP-MAS-NMR-Spektroskopie 4.3.5.2 29Si-{1H}-CP-MAS-NMR-Spektroskopie 4.3.5.3 ATR-FTIR-Spektroskopie 4.3.5.4 Extraktionsversuche der Hybridmaterialien 4.3.5.5 Elementverteilung mittels Energiedispersiver Röntgenspektroskopie 4.3.6 Herstellung poröser Kohlenstoff- und SiO2-Schäume aus Hybridmaterialschäumen 4.3.6.1 Zusammensetzung des Hybridmaterial- und C/SiO2-Schaums 4.3.6.2 Morphologie der Kohlenstoff- und SiO2-Schäume 4.3.7 Porositätsuntersuchungen an porösen Kohlenstoff- und SiO2-Schäumen 4.3.7.1 Stickstoffsorption 4.3.7.2 Quecksilberporosimetrie 5 Zusammenfassung und Ausblick 6 Experimenteller Teil 6.1 Chemikalien 6.2 Charakterisierungsmethoden 6.3 Synthesen 6.3.1 Herstellung von Resolen 6.3.2 Herstellung eines Novolaks 6.3.3 Herstellung eines stickstoffhaltigen Phenolharzes 6.3.4 Herstellung einer flüssigen Harzmischung 6.3.5 Aushärtung der flüssigen Harze und Harzmischungen 6.3.6 Pyrolyse der ausgehärteten Phenolharze und Harzmischungen 6.3.7 Herstellung von SiC-faserverstärkten Kohlenstoffen (SiC/C) 6.3.8 Silizierung von Kohlenstoffen 6.3.9 1,1'-methylenebis(naphthalen-2-ol) 6.3.10 Catecholoxalat 6.3.11 Bis(furan-2-ylmethyl) carbonat (Difurfurylcarbonat DFC) 6.3.12 Bis(p-methoxybenzyl) carbonat (pC) 6.3.13 Bis(m-methoxybenzyl) carbonat (mC) 6.3.14 Tetrafurfuryloxysilan (TFOS) 6.3.15 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] (Spiro) 6.3.16 Polymerisation von mC, pC und DFC 6.3.17 Simultane Polymerisation von Carbonaten mit Zwillingsmonomeren 6.3.18 Extraktion 6.3.19 Pyrolyse der Organik/SiO2-Hybridmaterialien 6.3.20 Siliziumdioxid-Ätzen 6.3.21 Oxidation der Organik/SiO2-Hybridmaterialien 6.3.22 Oxidation der Kohlenstoff/SiO2-Materialien Anhang Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung Lebenslauf Persönliche Daten Ausbildung und beruflicher Werdegang Liste der Publikationen, Vorträge und Posterpräsentationen

We performed an in-depth study of high molecular weight poly[3,6-(dithiophene-2-yl)-2,5-di(2-octyldodecyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione-alt-thieno[3,2-b]thiophene] P(DPP2OD-TT) synthesized through the Stille coupling polycondensation in order to understand the correlation between molecular weight, processing conditions and charge transport. We observed a rapid increase in its aggregation in solution with increasing molecular weight which strongly limits the solubility and processability for weight average molecular weights beyond 200 kg mol⁻¹. This results in severe limitation in the charge transport properties of the polymer. We further observe the presence of bulk electronic defects in all different polymer batches that severely limit the current flow and manifest themselves in organic field effect transistors as apparent charge density dependence of the mobility. These defects are passivated by exposure to an ambient atmosphere, as confirmed by an increase in current and mobility that is no more charge density dependent. This is further confirmed by the result of chemical doping using 2,2-(perfluoronaphthalene-2,6-diylidene)dimalononitrile, F₆TCNNQ, which leads to the filling of the trap states and a higher charge density independent mobility of up to 1 cm2 V⁻¹ s⁻¹.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich im ersten Teil mit einer Methodenentwicklung zur korrosionsfreien Ermittlung der elektromotorischen Kraft von zinkbasierten intermetallischen Verbindungen bei Raumtemperatur. Die durchgeführten Messungen bezüglich der elektrochemischen Potentiale von Verbindungen der binären intermetallischen Phasen Cu5Zn8, ZnPd und ZnPt mit jeweils verschiedenen elementaren Zusammensetzungen dienen als Basis zur Ermittlung der jeweiligen intrinsischen Aktivitäten der Einzelkomponente Zink. Messungen an der Referenzphase Cu5Zn8 wurden dabei zur Verifizierung der entwickelten Messmethodik durchgeführt. Die Untersuchungen an ZnPd- und ZnPt-Verbindungen liefern erstmalig thermodynamische Daten dieser Phasen bei Raumtemperatur. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der katalytischen Untersuchung von intermetallischen äquimolaren ZnPd-Elektroden hinsichtlich der elektrolytischen Wasserstoffentwicklung. Die durchgeführten Experimente legen den Schluss nahe, dass die katalytische Aktivität der intermetallischen Elektroden durch eine gezielte anodische Vorbehandlung signifikant gesteigert werden kann. Ex situ Charakterisierungen geben Grund zu der Annahme, dass die gesteigerte katalytische Aktivität durch die simultane Präsenz von oxidischer und metallischer beziehungsweise intermetallischer Spezies hervorgerufen wird.

The 14N(p,gamma)15O reaction is the slowest stage of the carbon-nitrogen-oxygen cycle of hydrogen burning and thus determines its reaction rate. Precise knowledge of its rate is required to improve the model of hydrogen burning in our sun. The reaction rate is a necessary ingredient for a possible solution of the solar abundance problem that led to discrepancies between predictions of the solar standard model and helioseismology. The solar 13N and 15O neutrino fluxes are used as independent observables that probe the carbon and nitrogen abundances in the solar core. This could settle the disagreement, if the 14N(p,gamma)15O reaction rate is known with high precision. After a review of several measurements its cross section was revised downward due to a much lower contribution by one particular transition, capture to the ground state in 15O. The evaluated total relative uncertainty is still 7.5%, in part due to an unsatisfactory knowledge of the excitation function over a wide energy range. The present work reports experimentally determined cross sections as astrophysical S-factor data at twelve energies between 0.357 - 1.292 MeV for the strongest transition, capture to the 6.79 MeV excited state in 15O with lower uncertainties than before and at ten energies between 0.479 - 1.202 MeV for the second strongest transition, capture to the ground state in 15O. In addition, an R-matrix fit is performed to estimate the impact of the new data on the astrophysical relevant energy range. The recently suggested slight S-factor enhancement at the Gamow window could not be confirmed and differences to previous measurements at energies around 1 MeV were observed. The present extrapolated zero-energy S-factors are S_6.79(0) = (1.19+-0.10) keV b and S_GS(0) = (0.25+-0.05) keV b and they are within the uncertainties consistent with values recommended by the latest review. / Die 14N(p,gamma)15O Reaktion ist die langsamste Phase im Bethe-Weizsäcker-Zyklus des Wasserstoffbrennens und bestimmt deshalb die Reaktionsrate des gesamten Zyklus. Präzise Werte für die Reaktionsrate sind notwendig um das Wasserstoffbrennen in unserer Sonne besser zu verstehen. Besonders das Problem widersprüchlicher Ergebnisse aus Vorhersagen des aktuellen Sonnenmodells und helioseismologischen Experimenten könnte durch genauer bekannte 14N(p,gamma)15O Reaktionsraten aufgelöst werden. Dafür soll der solare 13N und 15O Neutrinofluss von den beta+-Zerfällen als direkter Informationsträger über die Häufigkeit von Stickstoff und Kohlenstoff im Sonneninneren genutzt werden. Der für die Berechnung der Häufigkeiten benötigte Wirkungsquerschnitt der 14N(p,gamma)15O Reaktion wurde in einer Evaluation verschiedener Messungen reduziert, da der Anteil des direkten Protoneneinfang mit Übergang in den Grundzustand deutlich weniger zum gesamten Wirkungsquerschnitt beiträgt als zuvor angenommen. Die evaluierte relative Gesamtunsicherheit ist mit 7.5% dennoch hoch, was zu einem großen Teil an ungenügendem Wissen über die Anregungsfunktion in einem weiten Energiebereich liegt. In der vorliegenden Arbeit werden experimentell ermittelte Wirkungsquerschnitte in Form von astrophysikalischen S-Faktoren für zwei Übergänge vorgestellt. Für den stärksten Übergang, den Protoneneinfang zum angeregten Zustand bei 6.79 MeV in 15O, wurden zwölf S-Faktoren bei Energien zwischen 0.357 – 1.292 MeV mit geringeren Unsicherheiten als zuvor ermittelt und für den direkten Übergang in den Grundzustand zehn Werte zwischen 0.479 – 1.202 MeV. Außerdem wurde ein R-Matrix Fit durchgeführt um den Einfluss der neuen Daten auf Extrapolationen zum astrophysikalisch relevanten Energiebereich zu prüfen. Die kürzlich vorgeschlagene Erhöhung des S-Faktors im Gamow-Fenster konnte nicht bestätigt werden und es wurden auch Unterschiede zu bisherigen Messungen im Energiebereich um 1 MeV deutlich. Die neuen extrapolierten S-Faktoren sind S679(0) = (1.19±0.10) keV b und SGS(0) = (0.25 ± 0.05) keV b und sie stimmen mit den von der Evaluation empfohlenen Werten im Rahmen ihrer Unsicherheiten überein.

Kern der vorliegenden Arbeit ist die Anwendung quantenchemischer Methoden auf Probleme der elektrochemischen Katalyse vor dem Hintergrund der Sauerstoffreduktion, wie sie an kohlenstoffgeträgerten Platinkatalysatoren abläuft. In diesem Zusammenhang werden die Stabilität des Katalysatorsystems und der Mechanismus der Sauerstoffreduktion untersucht, sowie ein Algorithmus zur Berechnung von Molekülen unter einem gegebenen Potential vorgestellt. Zuerst werden die Wechselwirkungen von Platinnanopartikeln mit polyzyklischen Aromaten als Modellverbindungen des Katalysatormaterials untersucht. Weiterhin wird untersucht, wie Modifikationen des Kohlenstoffträgers und variierende Größe des Platinsystems diese Wechselwirkungen beeinflussen. Weiterhin beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Reaktionsmechanismus der Sauerstoffreduktion. Zu diesem Zweck wird das Zersetzungsverhalten von H2O2 als mögliches Intermediat der Sauerstoffreduktion an Platinoberflächen untersucht. Weiterhin wird geprüft, inwieweit dem Elektrolyten hinzugefügte Ionen die Zersetzungsreaktionen beeinflussen. Abschließend werden Rückschlüsse auf den Reaktionspfad der Sauerstoffreduktion gezogen. Zuletzt wird ein theoretischer Ansatz zur Berechnung von Systemen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie vorgestellt, bei dem nicht die Anzahl der Elektronen, sondern das elektrochemische Potential vorgegeben ist und die Elektronenzahl potentialabhängig modifiziert wird. Ebenso wird die Relevanz von Rechnungen mit konstantem Potential demonstriert.

Supervisor at Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Zeuthen: Dr. Habil. Karl Jansen / Mit Tensor Netzwerken (TN) untersuchen wir auf einem hexagonalen Gitter das Hubbard-Modell mit einem chemischen Potential. Wir zeigen, dass ein TN als Ansatz für die Zustände des Modells benutzt werden kann und präsentieren die berechneten Eigenschaften bei niedrigen Energien. Unser Algorithmus wendet eine imaginäre Zeitentwicklung auf einen fermionischen projected engangled pair state (PEPS) auf einem endlichen Gitter mit offenen Randbedingungen an. Der Ansatz kann auf einen spezifischen fermionischen Paritätssektor beschränkt werden, was es uns ermöglicht, den Grundzustand und den Zustand mit einem Elektron weniger zu simulieren. Mehrere in unserer Arbeit entwickelte Verbesserungen des Algorithmus führen zu einer erheblichen Steigerung der Effizienz und Genauigkeit. Wir messen Erwartungswerte mit Hilfe eines boundary matrix product state. Wir zeigen, dass Observablen in dieser Näherung mit einer weniger starken Trunkierung, als in der Literatur erwartet wird, berechnet werden können. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der numerischen Kosten des Algorithmus. Für verschiedene Stärken der lokalen Wechselwirkung, sowie für mehrere chemische Potentiale berechnen wir die Energie, die Teilchenzahl und die Magnetisierung mit guter Genauigkeit. Wir zeigen die Abhängigkeit der Teilchenzahl vom chemischen Potential und berechnen die Energielücke. Wir demonstrieren die Skalierbarkeit zu großen Gittern mit bis zu 30 × 15 Gitterpunkten und machen Vorhersagen in einem Teil des Phasenraums, der für Monte-Carlo nicht zugänglich ist. Allerdings finden wir auch Limitierungen des Algorithmus aufgrund von Instabilitäten, die die Berechnungen im Paritätssektor behindern, welcher orthogonal zum Grundzustand ist. Wir diskutieren Ursachen und Indikatoren und schlagen Lösungen vor. Unsere Arbeit bestätigt, dass TN genutzt werden können, um den niederenergetischen Sektors des Modells zu erforschen. Dies eröffnet den Weg zu einem umfassenden Verständnis des Phasendiagramms. / Using tensor network (TN) techniques, we study the Hubbard model on a honeycomb lattice with a chemical potential, which models the electron structure of graphene. In contrast to Monte Carlo methods, TN algorithms do not suffer from the sign problem when a chemical potential is present. We demonstrate that a tensor network state can be used to simulate the model and present the calculated low energy properties of the Hubbard model. Our algorithm applies an imaginary time evolution to a fermionic projected entangled pair state (PEPS) on a finite lattice with open boundary conditions. The ansatz can be restricted to a specific fermionic parity sector which allows us to simulate the ground state and the state with one electron less. Several improvements of the algorithm developed in our work lead to a substantial performance increase of the efficiency and precision. We measure expectation values with a boundary matrix product state and show that observables can be calculated with a lower bond dimension of this approximation than expected from the literature. This decreases the numerical costs of the algorithm significantly. For varying onsite interactions and chemical potentials we calculate the energy, particle number and magnetization with good precision. We show the dependence of the particle number on the chemical potential and compute the single particle gap. We demonstrate the scalability to large lattices of up to 30 × 15 sites and make predictions in a part of the phase space that is not accessible to Monte Carlo methods. However, we also find limitations of the algorithm due to instabilities that spoil the calculations in the parity sector orthogonal to the ground state. We discuss the causes and indicators of such instabilities and propose solutions. Our work validates that TNs can be utilized to study the low energy properties of the Hubbard model on a honeycomb lattice with a chemical potential, thus opening the road to finally understand its phase diagram.

No description available.

No description available.