In der vorliegenden Arbeit wird erstmals systematisch der Einfluss von gasförmigen und festen Verunreinigungen auf das O2, Pt│YSZ- Elektrodensystem am praxisnahen Beispiel der Lambdasonde untersucht. Dazu wurden Festelektrolyt- und Elektrodenmaterialien unterschiedlicher Zusammensetzung und Morphologie den realen Abgasbedingungen nachempfundenen, chemischen und physikalischen Einflüssen ausgesetzt und in Bezug auf Langzeitstabilität, Sensitivität und Wirkmechanismen untersucht. Im Einzelnen lag der Fokus der Untersuchungen auf zwei Ausführungsformen von Elektroden, die sich vor allem durch mikro- bzw. nanoskalige Partikelgrößenverteilungen sowie der Platin/YSZ-Zusammensetzung unterschieden und als Mikro- bzw. Nano-Elektrode bezeichnet wurden. Der Einfluss von Siliciumdioxid als gezielt dem Festelektrolyten beigemischte intrinsische Vergiftung sollte in Wechselwirkung zu den extrinsischen Verunreinigungen wie Natriumionen, Wasserdampf und Phosphorpentoxid untersucht werden. Im Unterschied zu den in der Literatur betrachteten, vereinfachten Modellsystemen konnten damit erstmals Wechselwirkungen beschrieben werden, die zu einem tieferen Verständnis des realen Sensorverhaltens, vor allem der Degradation beitragen. Insbesondere ist es gelungen, ein Modell für die Sauerstoffreaktion an geschädigten Elektroden aufzustellen. Neben der bekannten elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff spielen die Transportvorgänge an der Elektrodenoberfläche eine entscheidende Rolle, über die in der Literatur bisher nur wenig bekannt war.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielsetzung 1.3 Methodisches Vorgehen und struktureller Aufbau der Arbeit 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Festelektrolyt Yttriumoxid stabilisiertes ZrO2 (YSZ) 2.1.1 Strukturelle Aspekte 2.1.2 Elektronen- und Ionenleitung 2.2 Elektroden im Gleichgewicht und unter Stromfluss 2.2.1 Gleichgewichtselektrode 2.2.2 Elektroden unter Stromfluss 2.2.2.1 Ladungsdurchtritt und Transportprozesse 2.2.2.2 Co-limitierte Prozesse 2.2.2.3 Konzentrationslimitierendes Verhalten 2.3 Stabilität von Elektrodensystemen 2.3.1.1 Unterschiede von dichten und porösen Metall/ Cermet- Elektroden (morphologische Parameter) 2.3.1.2 Ursachen der Degradation 2.4 Elektrochemische Methodik zur Charakterisierung des Elektrodensystems 2.4.1 Zyklovoltammetrie 2.4.2 Elektrochemische Impedanzuntersuchung 3 Messtechnik und Experimentelles 3.1 Probenherstellung 3.1.1 Präparation und Zusammensetzung 3.1.2 Funktion 3.2 Messplätze für Elektroden- und Sensoruntersuchungen 3.2.1 Standardmessplatz 3.2.2 Messplatz zur Phosphorvergiftung 3.3 Vorbehandlung des Elektrodensystems 3.4 Degradation und Bewertung 3.4.1 Degradation durch SiO2 3.4.2 YSZ-Degradation durch Wasser 3.4.3 YSZ-Degradation durch Natriumionen 3.4.4 Elektrodendegradation durch Wasserdampf 3.4.5 Elektrodendegradation durch Phosphor 3.4.6 Regeneration 3.5 Charakterisierung des Elektrodenystems & Grenzen der Methodik 3.5.1 Analytische und bildgebende Verfahren 3.5.2 Elektrochemische Verfahren 4 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion 4.1 Morphologie der Elektrodensysteme 4.1.1 Festelektrolyt 4.1.1.1 Einfluss von Siliciumdioxid 4.1.1.2 Einfluss von Natriumionen 4.1.1.3 Zusammenfassung Festelektrolyt 4.1.2 Poröse Cermet-Elektrode 4.1.2.1 Elektrodenstruktur 4.1.2.2 Elementare Elektrodenprozesse 4.1.2.3 Niedertemperaturverhalten 4.1.2.4 Zusammenfassung der Resultate, gewonnen an der porösen Cermet-Elektrode 4.2 Degradation der Elektrodensysteme 4.2.1 Einfluss von Siliziumdioxid 4.2.2 Einfluss von Wasserdampf 4.2.2.1 Motivation 4.2.2.2 Festelektrolyt 4.2.2.3 Alterung von Cermet-Elektroden in Wasserdampfhaltigen Gasen 4.2.2.4 Elektrochemisch provozierte Reaktionen 4.2.2.5 Degradationsmechanismen 4.2.2.6 Zusammenfassung H2O 4.2.3 Einfluss von Phosphorpentoxid 4.2.3.1 Elektrochemisch provozierte Reaktion 4.2.3.2 Degradationsmechanismen 4.2.3.3 Zusammenfassung P2O5 5 Zusammenfassung und Ausblick

Die bisher gängigen PVC-Membranen ionenselektiver Elektroden weisen eine Reihe von Schwachstellen auf: Sie haften nur durch Adhäsion am Substrat, sodass sich bei miniaturisierten Elektroden die Membran ablösen kann; Membranbestandteile wie der Weichmacher, das Ionophor oder der Ionenaustauscher können bei der Verwendung ausgewaschen werden, sodass sich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Membran verschlechtern; auf der Membranoberfläche kann sich auf Grund ihrer Hydrophobie ein Biofilm ausbilden, der die Membran abschirmt. Diese Schwachstellen bewirken eine Dysfunktionalität der ionenselektiven Elektrode, weshalb im Rahmen dieser Arbeit ein Glycopolymerfilm entwickelt worden ist, der diese Schwachstellen nicht aufweist. Die in dieser Arbeit entwickelte Membran, die auf einem multifunktionalen Glycopolymer beruht, zielt auf die Egalisierung der Schwachstellen konventioneller ionenselektiver PVC-Membranen. Die entwickelte Membran kommt dabei ohne Weichmacher aus, reduziert die Ausbildung von Biofilmen, bindet kovalent an das darunterliegende organische Substrat und durch die kovalente Anbindung des Ionophors wird dessen Auswaschen verhindert. Um eine kovalente Bindung der Membran an organische Vermittlerschichten zu erreichen, wie sie bei All-solid-state-Elektroden zum Einsatz kommen, werden zunächst die photovernetzbaren Glycopolymere 12a–c entwickelt, bei denen etwa neun Photovernetzereinheiten über PEG-Spacer an den PEI25-Kern gebunden sind. Drei PEG-Spacer mit unterschiedlicher Länge werden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Filmbildung untersucht: Sie besitzen vier (12a), acht (12b) und zwölf Ethylenglycoleinheiten (12c). Dabei zeigt sich, dass eine Spacerlänge von zwölf Ethylenglycoleinheiten für eine effektive Photovernetzung notwendig ist, weshalb für die folgenden Strukturen nur PEG12-Spacer eingesetzt werden. Um eine kovalente Anbindung des Ionophors an das Glycopolymer zu erreichen, werden verschiedene Syntheserouten genutzt und auf ihre Wirkung hin analysiert. Die frühe direkte Anbindung des Calix[4]arenderivats 3 an den PEI25-Kern der Glycopolymere 17a–c erweist sich als nachteilig, da hierdurch darauffolgende Syntheseschritte beeinträchtigt werden. Anderseits zeigen diese Glycopolymere, dass sich die Calix[4]areneinheiten nicht negativ auf die Glycopolymerfilmbildung auswirken. Zur Überwindung der erwähnten Probleme werden in den multifunktionalen Glycopolymeren 22a und 22b die Calix[4]arene wie der Photovernetzer am Ende der Syntheseroute über PEG12-Spacer angebunden. Dies erfolgt dabei über den upper rim des Calix[4]arens, da somit der lower rim, an dem sich ionenkomplexierenden Gruppen befinden, nicht beeinflusst wird. Neben der Struktur des Glycopolymers wird auch eine Methode zur Glycopolymerfilmbildung auf Modellsubstraten entwickelt. Hierfür werden Siliziumwafer mit einer hydrophilen organischen Vermittlerschicht aus (3-Glycidyloxypropyl)-trimethoxysilan (GOPS) eingesetzt. Bei der Filmbildung zeigt sich, dass die alleinige Bestrahlung mit UV-Licht nicht ausreichend ist, um eine stabile Vernetzung zu generieren. Erst nach vorausgehendem Tempern (1 h bei 120 °C) werden Filme mit einer Dicke von (42±8) nm für das Glycopolymer 12c erhalten. Die Glycopolymere 12a und 12b, die kürzere PEG-Spacer enthalten, bilden deutlich dünnere Filme aus. Für die vollständige Vernetzung ist eine Bestrahlungszeit von einer Stunde notwendig, was einer Energiedosis von etwa 290 J/cm² entspricht. Trotz möglicher freier Aminogruppen in der Struktur bilden die Glycopolymere 17a–c, bei denen unterschiedlich viele Calix[4]arene direkt an den PEI25-Kern gebunden sind, stabile Filme aus. Die sich ergebenden Schichtdicken zeigen dabei weder im Vergleich zum Glycopolymer 12c noch untereinander signifikante Unterschiede. Die Filmbildung auf dem hydrophilen GOPS wird demzufolge durch die direkt angebundenen Calix[4]arene nicht beeinträchtigt. Auf Grund des erwarteten amphiphilen Charakters der Glycopolymere 17a–c wird ihre Filmbildung nicht nur auf hydrophilen, sondern auch auf hydrophoben Modellsubstraten untersucht. Hierzu werden Siliziumwafer mit hydrophoben Vermittlerschichten aus Benzophenonsilan (BPS) und Poly-α-methylstyrol (PαMS) eingesetzt. Auf den hydrophoben Vermittlerschichten bilden die Glycopolymere 17a–c deutlich dünnere Filme aus als auf dem hydrophilen GOPS. Die Calix[4]areneinheiten sind demnach durch die Maltosehülle abgeschirmt und es treten kaum Wechselwirkungen mit den hydrophoben Substratoberflächen auf. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Anbindung der Calix[4]arene über PEG12-Spacer den Glycopolymeren 22a und 22b auf hydrophilen wie hydrophoben Vermittlerschichten in etwa gleich dicke Filme auszubilden. Offensichtlich liegt bei diesen Glycopolymeren eine amphiphile Peripherie vor, sodass sich die Glycopolymere besonders zur Beschichtung von All-solid-state-Elektroden mit verschiedenen Mediatorschichten eignen. Die photovernetzten Glycopolymerfilme quellen auf Grund ihrer hydrophilen Eigenschaften. Der Quellungsgrad q liegt dabei niedriger, wenn hydrophobe Calix[4]arene in die Struktur eingebunden sind: q(17c) = 2,3 im Vergleich zu q(12c) = 3,6. Erfolgt die Anbindung der Calix[4]arene direkt an den PEI25-Kern, ist die Glycopolymerstruktur unflexibel, sodass der Quellungsprozess bis zu sieben Stunden benötigt. Durch die Anbindung der Calix[4]arene über PEG12-Spacer wird die Flexibilität der Glycopolymere hingegen nicht beeinträchtigt, sodass der Quellungsprozess weniger als zwei Stunden benötigt. PVC-Membranen verlieren schon nach kurzer Zeit ihre ionenselektiven Eigenschaften, weil etwa der Weichmacher aus den Membranen diffundiert und diese dadurch spröde werden. Die Glycopolymerfilme sind hingegen über einen Zeitraum von mindestens 100 Tagen gegenüber sauren (pH = 4), neutralen und basischen (pH = 10) Lösungen stabil. Die entwickelten Glycopolymere werden im Rahmen einer Kooperation mit dem Kurt-Schwabe-Institut (KSI) in Meinsberg auf All-solid-state-Elektroden als ionenselektive Membranen eingesetzt. Die Graphitelektroden werden dafür mit einer Mediatorschicht aus leitfähigem Polypyrrol (PPy) und dem Glycopolymer 17c beschichtet. Die All-solid-state-Elektroden werden hinsichtlich ihres Ansprechverhaltens gegenüber verschiedenen Ionen untersucht. Die Anbindung und Vernetzung erfolgt nach der für die Modellsubstrate optimierten Methode. Jedoch werden die Bedingungen für das Tempern angepasst, um eine Beschädigung der All-solid-state-Elektrode auszuschließen: 12 h bei 45 °C statt 1 h bei 120 °C. Dabei bildet sich ein inhomogener Belag aus, bei dem Teile der PPy-Schicht frei bleiben. Im Vergleich zur reinen und zur mit Polypyrrol (PPy) beschichteten Graphitelektrode zeigt die Elektrode, die mit einem Glycopolymerfilm versehen ist, trotz der Inhomogenität stabile und reproduzierbare Potentiale. Diese sind jedoch nicht von der Konzentration der Kationen, sondern von der der Anionen abhängig. Durch die Auftragung einer Ionentauscherschicht auf die ionenselektive Membran soll das Vordringen der Anionen in die Membran der All-solid-state-Elektrode unterbunden werden. Dadurch soll das Ansprechverhalten der All-solid-state-Elektrode auf die Kationen gelenkt werden. Entsprechende Arbeiten werden am KSI durchgeführt.

Die organisch-anorganische Hybridelektronik bietet verschiedene Möglichkeiten zur Entwicklung neuartiger Bauelemente, welche die Vorteile von organischen und anorganischen Halbleitern vereinen. Planare Bauelemente werden typischerweise mittels Schattenmasken-basierter Strukturierung hergestellt. Ein Grund hierfür ist die Empfindlichkeit organischer Halbleiter gegenüber Ultraviolettem Licht und Lösungsmitteln, welche in den Standard-Photolithographieprozessen eingesetzt werden. Die Schattenmasken-Strukturierung führt allerdings zu Bauelementen mit kleinsten Abmessungen im Mikrometerbereich. Für die Reduzierung der Kanalabmessungen von planaren organisch-anorganischen Hybridbauelementen unterhalb eines Mikrometers ist die Elektronenstrahllithographie die am häufigsten verwendete Technik. Aufgrund des hohen Kosten- und Zeitaufwandes ist es nicht möglich, diese Technik für Wafermaßstab-Herstellung in der industriellen Anwendung einzusetzen. In dieser Arbeit wird eine alternative Technologie zur Herstellung von planaren Bauelementen mit isolierten Grabenelektroden und Kanalabmessungen von wenigen Hundert Nanometer bis unter 100 nm vorgestellt. Gräben kleiner als ein Mirkometer werden zunächst auf Silizium-Substraten strukturiert und anschließend mit einer isolierenden SiO2 Schicht aufgefüllt. Diese hilft dabei die gewünschten Elektrodenabstände, also die gewünschte Kanallänge, zu erreichen. Die Flexibilität des neuen Herstellungsverfahrens ermöglicht es nicht nur verschiedenen Kanallängen und Bauelement-Geometrie, sondern auch die Verwendung verschiedener Materialien für Elektroden und organischen Kanäle. Dies wiederum ermöglicht eine Vielfalt von potentiellen Anwendungen der hybriden Bauelemente. In dieser Arbeit wurde 6,13-bis (triisopropylsilylethinyl)-Pentacen (TIPS-Pentacen) Lösung und metallfreie Phthalocyanin als organisches Material verwendet und als Elektrodenmaterial diente Gold. Die entstandenen auf TIPS-Pentacen-Lösung basierenden planaren hybriden Bauelemente wurden für potentielle Anwendungen als optische sowie magnetoresistive Sensoren getestet.:Table of Contents Bibliografische Beschreibung 1 Chapter 1. Introduction 3 1.1 Organic-inorganic hybrid electronics 4 1.2 Inorganic semiconductors versus organic semiconductors 5 1.3 Electronic properties of a molecular layer 5 1.4 Vertical HEDs and planar HEDs 6 Chapter 2. Wafer-scale fabrication approach for planar HED-TIEs 8 2.1 Overview of nano-patterning techniques 8 (a) Electron beam lithography (EBL) 8 (b) Nanostencil lithography (NSL) 8 (c) Nanoimprint lithography (NIL) 9 2.2 Fabrication of planar organic-inorganic HED-TIEs 12 2.2.1 Trench refill approach for fabricating HED-TIEs 12 2.2.1.1 Deposition of the trench refill layer 15 2.2.1.2 Deposition of the organic channel material 16 (a) HED-TIE with thermally evaporated organic channel 16 (b) HED-TIE with solution processed organic channel 18 2.2.2 Spacer approach for fabricating HED-TIEs 21 2.2.2.1 Deposition of the isolation layer 23 2.3 Characterization techniques 26 (a) Electrical characterization 26 (b) Raman spectroscopy 26 (c) Photoluminescence spectroscopy 27 2.4 Summary and outlook 27 Chapter 3. Electrical characterization of HED-TIEs 29 3.1 Theoretical background 29 3.1.1 Space charge limited current (SCLC) conduction mechanism 29 3.2 Experimental details 32 3.3 Results and discussions 34 3.4 Summary and outlook 40 Chapter 4. Application of HED-TIEs as optical sensors 41 4.1 Photosensing properties of TIPS-pentacene based HED-TIEs 41 4.1.1 Theoretical background 41 4.1.2 Experimental details 43 4.1.3 Results and discussions 44 4.1.4 Summary and outlook 49 4.2 Photosensing properties of TIPS-pentacene based HED-TIEs with Au nanoparticles in the channel matrix 50 4.2.1 Theoretical background 50 4.2.2 Experimental details 51 4.2.3 Results and discussions 52 4.2.4 Summary and outlook 59 Chapter 5. Application of HED-TIE devices as magnetoresistive sensors 61 5.1 Theoretical background 61 5.1.1 Organic spintronics 61 5.1.2 Mechanisms of organic magnetoresistance (OMAR) 65 (a) Bipolaron model 68 (b) Electron-hole (e-h) pair model 69 (c) Exciton–charge interaction model 70 5.2. OMAR measurements on TIPS-pentacene OFETs and HED-TIEs 71 5.2.1 Experimental details 71 5.3 Results and discussions 73 5.4 Summary and outlook 79 Chapter 6. Summary and outlook 81 References 86 List of Figures 97 List of Tables 103 List of Abbreviations 104 Acknowledgements 106 List of Publications 108 List of Conference Presentations and Posters 109 Selbstständigkeitserklärung 111 Curriculum Vitae 112

Die untersuchten Ausgangsmaterialien α-Fe2U3, ɣ-Fe2O3, Fe3O4, CoO, Co3O4, NiO sowie CuO eignen sich durch ihre hohe theoretische spezifische Kapazität als Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Die zugrundeliegenden Mechanismen zur Speicherung der Li-Ionen konnten mit allen Phasenumwandlungen und der Bildung von Zwischenprodukten im ersten Reduktionsschritt beschrieben werden. In Abhängigkeit von der Kristallstruktur der Ausgangsmaterialien und den Reaktionsgeschwindigkeiten konnten der Gesamtreaktion die einzelnen Mechanismen Interkalation von Li-Ionen, Substitution von Kationen in der Kristallstruktur und Konversionsmechanismus zugeordnet werden. Auf Grund des gemeinsamen kubisch flächenzentrierten Sauerstoffuntergitters der Ausgangsmaterialien und Zwischenprodukte zeigen sich für die Materialsysteme Fe-O, Co-O und Ni-O Orientierungsbeziehungen zwischen den Kristalliten des Ausgangsoxids, des lithiierten Metalloxids und der Li2O-Matrix. Im Gegensatz dazu sind die auf der CuO-Phase basierenden Kristallite regellos orientiert und zeigen eine höhere Zyklenstabilität. Die Orientierungsbeziehung zwischen den lithiierten Metalloxiden und der Li2O-Matrix hindert dagegen den Austausch der Li-Ionen, beeinträchtigt die Zyklenstabilität und trägt so zu einer schnelleren Alterung der Elektrode bei.

Übergangsmetalloxidbronzen (TMOB) – Verbindungen mit der allgemeinen chemischen Summenformel AxByOz (A = Element der Gruppen 1, 2, 11, 12, 13, NH4+ oder Kombination; B = Übergangsmetall) – sind seit längerem als Material für ionensensitive Festkörperelektroden bekannt. Sie reagieren als Elektroden in elektrochemischen Messungen auf Ionen in wässrigen Elektrolyten in höchst unterschiedlicher Weise. Bis heute gibt es dazu nur wenige systematische vergleichende Untersuchungen, die von der Präparation der Bronzen, der Charakterisierung ihrer Eigenschaften bis zur Untersuchung ihrer Elektrodeneigenschaften reichen. Gegenstand der Arbeit war deshalb die Synthese von in der Literatur beschriebenen TMOB auf der Basis von Wolfram und Molybdän, die Bestimmung ihrer Kristallstruktur und die Untersuchung ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften. Aus den synthetisierten Verbindungen waren anhand einer elektrochemischen Vorcharakterisierung einige auszuwählen, um diese systematisch als Elektroden zu untersuchen. Insbesondere HxMoO3, Ba0,12WO3 und Li0,4Mo0,95W0,05O3 zeichneten sich durch gegenüber den anderen Oxidbronzen abweichende potentiometrische Charakteristika aus. Hinsichtlich der Einsetzbarkeit dieser Materialien für potentiometrische Elektroden wurden diese Verbin¬dungen noch nicht untersucht. Daher wurden diese Verbindungen eingehender erforscht. Die bezüglich ihrer potentiometrischen Eigen¬schaften bereits ausreichend untersuchte Verbindung Na0,9Mo6O17 diente dem Vergleich und wurde deshalb den selben Tests ausgesetzt. Dazu waren im Einzelnen potentiometrische Messungen in Abhängigkeit von der Konzentration der Alkaliionen und der Wasserstoffionen sowie von der Konzentration verschiedener Redoxspezies in wässrigen Medien durchzuführen. Unklar war bisher wie sich die Wechselwirkungen der gelösten Ionen mit den Molybdän- und Wolframionen im Festkörper vollziehen und warum die Elektroden Sensitivitäten für verschiedene Ionen aufweisen, die sich nicht aus der chemischen Zusammensetzung oder mit der Kristallstruktur der jeweiligen Oxidbronze erklären lassen. Zur Aufhellung dieses Problems waren unter anderem XPS-Untersuchungen an verschiedenen Oxidbronzen durchzuführen, aus denen man auf den Oxidationszustand des Wolframs und Molybdäns im Festkörper schließen kann.

Der steigende weltweite Energiebedarf treibt die Entwicklung sauberer Energiequellen voran, die dazu beitragen werden, den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu reduzieren. Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien sind vielversprechende Alternativen, um traditionelle fossile Energie zu ersetzen und durch die Reduzierung von O2 an der Kathode grünen Strom zu erzeugen. Aufgrund der langsamen Reaktionsraten der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) ist hierfür jedoch elektrokatalytisches Material mit geringen Kosten und hoher Effizienz erforderlich. In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl von Materialien als Nicht-Pt-Katalysatoren getestet, von metallfreien Katalysatoren bis hin zu Katalysatoren auf Übergangsmetallbasis. Aufgrund des mangelnden Verständnisses des Reaktionsmechanismus und der Wechselwirkung zwischen Elektrolyt und Elektrokatalysator befinden sich neue Designs stickstoffhaltiger Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis jedoch noch in der Entwicklungsphase. Zu diesem Zweck wurden verschiedene (in situ) spektroskopische und elektrochemische Techniken eingesetzt, um die Wechselwirkung zwischen N-dotiertem Kohlenstoff und Elektrolyten sowie die katalytischen Mechanismen zu verstehen. Darüber hinaus weisen die neu entwickelten Katalysatoren für die ORR eine überlegene elektrokatalytische Leistung auf, die in dieser Dissertation ausführlich diskutiert wird. Die Struktur-Leistungs-Beziehung unserer ORR-N-dotierten Kohlenstoffkatalysatoren wurde gründlich untersucht. Diese Forschung zeigt, wie die Kombination fortschrittlicher Spektroskopietechniken, einschließlich In-situ-Spektroskopie und elektrochemischer Charakterisierung, ein tieferes Verständnis der Katalysator-/Elektrolyt-Wechselwirkung, des katalytischen Mechanismus und der optimierten elektrokatalytischen Leistung stickstoffhaltiger Kohlenstoffmaterialien, ORR-Katalysatoren, insbesondere nanoporöser N-dotierter Kohlenstoff, fördern kann Eisen-Stickstoff-codotierte Kohlenstoffmaterialien. / Increasing global energy demand drives the development of clean energy sources that will help reduce the consumption of fossil fuels. Fuel cells and metal-air batteries are promising alternatives to replace traditional fossil energy to generate green electricity by reducing O2 at the cathode. However, due to sluggish reaction rates of oxygen reduction reaction (ORR), this requires electrocatalytic material with low cost and high efficiency. Over the last few decades, a variety of materials have been tested as non-Pt catalysts, from metal-free catalysts to transition metal-based catalysts. However, due to the lack of understanding of the reaction mechanism and the interaction between electrolyte and electrocatalysts, new designs nitrogen-containing carbon-based catalysts are still under the development stage. To this aim, a variety of (in situ) spectroscopic and electrochemical techniques to understand N-doped carbon electrocatalysts/electrolyte interaction and catalytic mechanisms have been employed. Moreover, the newly-designed catalysts for ORR demonstrate superior electrocatalytic performance which are discussed in detail in this dissertation. The structure-performance relationship for our ORR N-doped carbon catalysts has been thoroughly investigated. This research highlights how the combination of advanced spectroscopy techniques including in situ spectroscopy and electrochemical characterization may promote a deeper understanding of catalyst/electrolyte interaction, catalytic mechanism and optimized electrocatalytic performance of nitrogen-containing carbon materials ORR catalysts, especially nanoporous N-doped carbon and iron-nitrogen-co-doped carbon materials.

In dieser Dissertation wurde untersucht, inwieweit die Kombination von Mikrofluidik mit elektrophoretischer Formgebung zur additiven Herstellung von Keramikbauteilen genutzt werden kann. Mit Verfahren der Mikrofluidik sollten räumliche Strukturierung und Materialdifferenzierung erfolgen, während die elektrophoretische Abscheidung für die Ausbildung einer homogenen Mikrostruktur sorgt. Es wurde eine Versuchsanlage aufgebaut, die eine kontrollierte elektrophoretische Abscheidung von Keramikpartikeln, die durch eine Hohlelektrode zugeführt werden, auf porösen Membranen ermöglicht. Die Anlage bietet – im Unterschied zu bereits beschriebenen Verfahren – das Potenzial für eine hochgradige Parallelisierung und Multimaterialdruck. Schließlich wurden Finite-Elemente-Modelle zur Feldverteilung und zur Partikelbewegung entwickelt, mit denen die experimentellen Ergebnisse verglichen wurden. Bei den Versuchen traten viele in ihrem Ausmaß nicht erwartete Phänomene auf: elektrohydrodynamische Effekte und nichtelektrisch verursachte Strömungen des Lösungsmittels, die die Ausbeute und Reproduzierbarkeit sowie die Eigenschaften der abgeschiedenen Strukturen verschlechterten, was zusätzlichen Untersuchungen notwendig machte. In Ethanol wurden relevante Abscheideparameter systematisch variiert und die Struktur und das Gefüge der abgeschiedenen Al2O3-Partikel methodisch analysiert. Die Arbeit war Teil eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sachbeihilfe-Projekts (KU 1327/10-1 | RA 614/7-1).:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 7 2 Stand der Forschung 8 2.1 Stand der Forschung additive Fertigung keramischer Bauteile 8 2.1.1 Feedstockbasierte additive Fertigungsverfahren 9 2.1.2 Pulverbasierte additive Fertigungsverfahren: 10 2.1.3 Schlickerbasierte additive Fertigungsverfahren 11 2.2 Stand der Forschung elektrophoretische Abscheidung 12 2.3 Stand der Forschung Dielektrophorese 15 2.4 Stand der Forschung EHD-Effekt 16 3 Methodisches Vorgehen 19 3.1 Allgemeiner Aufbau 19 3.2 Elektroden 22 3.3 Lösungsmittel 24 3.4 Abscheidemembranen 25 3.5 Partikel und Suspensionen 27 3.6 Durchführung der Depositionsexperimente 30 3.7 Analyse der abgeschiedenen Strukturen 32 3.7.1 Konfokale 3D Laserscanningmikroskopie (CLSM) 32 3.7.2 Dynamische Differenzkalorimetrie und Thermogravimetrie (DSC/TGA) 33 3.7.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Varianzanalyse 33 4 Computersimulationen 35 5 Experimentelle Ergebnisse 41 5.1 Untersuchung des EHD-Effekts 41 5.2 Abscheidung mit verschiedenen Lösungsmitteln und Partikeln 45 5.3 Abscheidung von PEI-Aluminiumoxidpartikeln in Ethanol 51 5.4 DSC-TGA einer bedruckten Membran 60 5.5 Varianzanalyse der Gefügehomogenität elektrophoretisch abgeschiedener Proben 63 6 Zusammenfassung und Ausblick 66 7 Quellenverzeichnis 69 8 Formelverzeichnis 78 9 Tabellenverzeichnis 78 10 Abbildungsverzeichnis 79 11 Anhang 83 / In this dissertation it was examined to what extent the combination of microfluidics with electrophoretic shaping can be used for the additive manufacturing of ceramic components. The spatial structuring and material differentiation should take place using microfluidic methods, while the electrophoretic deposition ensures the formation of a homogeneous microstructure. A test facility was set up that enables controlled electrophoretic deposition of ceramic particles, which are fed through a hollow electrode, onto porous membranes. In contrast to known processes, the system offers the potential for high-quality parallelization and multi-material printing. Finally, finite element models for field distribution and particle movement were developed, with which the experimental results were compared. During the experiments, many phenomena that were not expected occurred: electrohydrodynamic effects and non-electrically induced solvent flows, which reduced the yield and reproducibility as well as the properties of the deposited structures, that made additional studies necessary. We systematically varied relevant deposition parameters in the solvent ethanol and the microstructure of the deposited Al2O3 particles was methodically analyzed. The work was part of a research grant project funded by the German Research Foundation (KU 1327 / 10-1 | RA 614 / 7-1).:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 7 2 Stand der Forschung 8 2.1 Stand der Forschung additive Fertigung keramischer Bauteile 8 2.1.1 Feedstockbasierte additive Fertigungsverfahren 9 2.1.2 Pulverbasierte additive Fertigungsverfahren: 10 2.1.3 Schlickerbasierte additive Fertigungsverfahren 11 2.2 Stand der Forschung elektrophoretische Abscheidung 12 2.3 Stand der Forschung Dielektrophorese 15 2.4 Stand der Forschung EHD-Effekt 16 3 Methodisches Vorgehen 19 3.1 Allgemeiner Aufbau 19 3.2 Elektroden 22 3.3 Lösungsmittel 24 3.4 Abscheidemembranen 25 3.5 Partikel und Suspensionen 27 3.6 Durchführung der Depositionsexperimente 30 3.7 Analyse der abgeschiedenen Strukturen 32 3.7.1 Konfokale 3D Laserscanningmikroskopie (CLSM) 32 3.7.2 Dynamische Differenzkalorimetrie und Thermogravimetrie (DSC/TGA) 33 3.7.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Varianzanalyse 33 4 Computersimulationen 35 5 Experimentelle Ergebnisse 41 5.1 Untersuchung des EHD-Effekts 41 5.2 Abscheidung mit verschiedenen Lösungsmitteln und Partikeln 45 5.3 Abscheidung von PEI-Aluminiumoxidpartikeln in Ethanol 51 5.4 DSC-TGA einer bedruckten Membran 60 5.5 Varianzanalyse der Gefügehomogenität elektrophoretisch abgeschiedener Proben 63 6 Zusammenfassung und Ausblick 66 7 Quellenverzeichnis 69 8 Formelverzeichnis 78 9 Tabellenverzeichnis 78 10 Abbildungsverzeichnis 79 11 Anhang 83

<p>Cilj ove doktorske disertacija&nbsp; bio je razvoj&nbsp; novih, osetljivih, selektivnih i ekonomski<br />isplativih&nbsp; voltametrijskih&nbsp; radnih&nbsp; elektroda&nbsp; za&nbsp; praćenje&nbsp; odabranih&nbsp; analita&nbsp; kako&nbsp; u<br />laboratorijskim tako i pri terenskim uslovima.&nbsp; Ispitivana je&nbsp; mogućnost primene&nbsp; ovih&nbsp; radnih&nbsp; elektroda&nbsp; primenom&nbsp; voltametrijskih&nbsp; metoda&nbsp; kako&nbsp; u&nbsp; model&nbsp; rastvorima&nbsp; tako&nbsp; i&nbsp; u&nbsp; pojedinim realnim sistemima. SW-ASV&nbsp; zasnovana&nbsp; na&nbsp; elektrodama&nbsp; od&nbsp; staklastog&nbsp; ugljenika&nbsp; povr&scaron;inski modifikovanim&nbsp; Bi-MWCNT&nbsp; i&nbsp; BiOCl-MWCNT&nbsp; je&nbsp; primenjena&nbsp; za&nbsp; određivanje&nbsp; jona&nbsp; Pb(II)&nbsp; i Cd(II)&nbsp; pri&nbsp; optimizovanim&nbsp; uslovima&nbsp; merenja.&nbsp; Određivanje&nbsp; ciljnih&nbsp; jona&nbsp; vr&scaron;eno&nbsp; je&nbsp; pri&nbsp; radnom potencijalu&nbsp; od&nbsp; -1,2&nbsp; V&nbsp; (izmeren&nbsp; u&nbsp; odnosu&nbsp; na&nbsp; zasićenu&nbsp; kalomelovu&nbsp; elektrodu)&nbsp; i&nbsp; vremenu<br />elektrodepozicije jona&nbsp; od 120 s. Sva merenja su izvr&scaron;ena u rastvoru acetatnog pufera čija je pH-vrednost iznosila&nbsp; 4,0. Primenjeni koncentracioni opseg ciljnih analita iznosio je&nbsp; od 5 do 50&nbsp; &mu;g&nbsp; dm ^-3 .&nbsp; Primenom&nbsp; ovog&nbsp; tipa&nbsp; elektrode&nbsp; dobijene&nbsp; su&nbsp; vrednosti&nbsp; granice&nbsp; detekcije&nbsp; za&nbsp; jone Pb(II) i Cd(II) 0,57&nbsp; &mu;g dm ^-3i 1,2 &mu;g dm^-3 , redom. Dobijena RSD iznosila je manje od 10% za oba&nbsp; jona.&nbsp; Ova&nbsp; metoda&nbsp; je&nbsp; primenjena&nbsp; i&nbsp; za&nbsp; određivanje&nbsp; ciljnih&nbsp; jona&nbsp; u&nbsp; realnom&nbsp; uzorku&nbsp; porne vode&nbsp; sedimenta&nbsp; a&nbsp; rezultati&nbsp; dobijeni&nbsp; optimizovanom&nbsp; voltametrijskom&nbsp; metodom&nbsp; su&nbsp; u&nbsp; dobroj saglasnosti sa rezultatima koji su dobijeni primenom komparativne GFAAS metode. Bizmut oksihlorid-vi&scaron;ezidne ugljenične nanocevi kompozitni materijal je primenjen za povr&scaron;insko&nbsp; modifikovanje&nbsp; elektrode&nbsp; od&nbsp; staklastog&nbsp; ugljenika&nbsp; za&nbsp; brzo&nbsp; i&nbsp; jednostavno voltametrijsko&nbsp; određivanje&nbsp; tragova&nbsp; Zn(II)-jona&nbsp; primenom&nbsp; SW-ASV&nbsp; metode.&nbsp; BiOClMWCNT/GCE je pokazala linearan analitički odgovor u&nbsp; osegu koncentracija od&nbsp; 2,50 do&nbsp; 80,0 &mu;g&nbsp; dm ^-3sa dobijenom vredno&scaron;ću GD 0,75 &mu;g&nbsp; dm^-3pri akumulacionom vremenu od&nbsp; 120 s&nbsp; i potencijalu&nbsp; elektrodepozicije&nbsp; -1,40&nbsp; V&nbsp; u&nbsp; odnosu&nbsp; na&nbsp; ZKE.&nbsp; Merenja&nbsp; su&nbsp; vr&scaron;ena&nbsp; u&nbsp; acetatnom puferu pH 4,5. Dobijena RSD iznosila je 4,8 %. Upoređene su performanse novodizajnirane BiOCl-MWCNT/GCE elektrode&nbsp; i&nbsp; tradicionalne elektrode na bazi bizmut filma (BiF/GCE), MWCNT/GCE,&nbsp; BiF-MWCNT/GCE&nbsp; i&nbsp; nemodifikovane&nbsp; GC&nbsp; elektrode.&nbsp; Novodizajnirana elektroda je primenjena za&nbsp; detekciju&nbsp; i određivanje&nbsp; Zn(II)-jona&nbsp; u realnim&nbsp; uzorcima kao &scaron;to su<br />dijetetski&nbsp; suplement&nbsp; i&nbsp; pekarski&nbsp; kvasac.&nbsp; Dobijeni&nbsp; rezultati&nbsp; su&nbsp; uporedivi&nbsp; sa&nbsp; deklarisanom vredno&scaron;ću&nbsp; u&nbsp; slučaju&nbsp; dijetetskog&nbsp; suplementa&nbsp; a&nbsp; u&nbsp; slučaju&nbsp; pekarskog&nbsp; kvasca&nbsp; sa&nbsp; rezultatima dobijenih komparativnom FAAS .<br />Elektroda od ugljenične paste je povr&scaron;inski modifikovana pripremljenim kompozitom<br />koji je&nbsp; izgrađen od vi&scaron;ezidnih ugljeničnih nanocevi i čestica&nbsp; Sb₂O_3.&nbsp; Kompozitni&nbsp; materijal&nbsp; je okarakterisan&nbsp; primenom&nbsp; TEM,&nbsp; EDS&nbsp; i&nbsp; XRD&nbsp; mernih&nbsp; tehnika.&nbsp; Sb₂O₃-MWCNT/CPE&nbsp; je okarakterisana primenom ciklične voltametrije a merenja su vr&scaron;ena u rastvoru hlorovodonične kiseline&nbsp; (pH&nbsp; 2,0).&nbsp; Primenom&nbsp; SW-ASV&nbsp; metode&nbsp; ova&nbsp; radna&nbsp; elektroda&nbsp; je&nbsp; upotrebljena&nbsp; za određivanje&nbsp; jona Pb(II) i Cd(II)&nbsp; u&nbsp; koncentracionom opsegu 2,0-40,0&nbsp; &mu;g&nbsp; dm&nbsp; ^-3za&nbsp; Pb(II)-jon&nbsp; i 2,0-40,0&nbsp; &mu;g&nbsp; dm ^-3 za&nbsp; Cd(II)-jon&nbsp; pri&nbsp; čemu&nbsp; su&nbsp; dobijene&nbsp; dobre&nbsp; linearne&nbsp; zavisnosti&nbsp; za&nbsp; oba&nbsp; ciljna jona.&nbsp; Optimalna&nbsp; procedura&nbsp; uključuje&nbsp; primenu&nbsp; Sb2O3-MWCNT/CPE&nbsp; u&nbsp; 0,01&nbsp; mol dm ^-3<br />hlorovodoničnoj kiselini uz vreme elektrodepozicije jona iz rastvora od 120&nbsp; s&nbsp; na&nbsp; potencijaluod&nbsp; -1,2&nbsp; V,&nbsp; pri&nbsp; čemu&nbsp; su&nbsp; dobijene&nbsp; vrednosti&nbsp; za&nbsp; GD&nbsp; 1,1&nbsp; &mu;g&nbsp; dm ^-3 Cd(II)&nbsp; i&nbsp; 1,6&nbsp; &mu;g&nbsp; dm ^-3 Pb(II). Optimizovana&nbsp; metoda&nbsp; zasnovana&nbsp; na&nbsp; ovom&nbsp; tipu&nbsp; voltametrijskog&nbsp; senzora&nbsp; je&nbsp; uspe&scaron;no primenjena&nbsp; za&nbsp; određivanje&nbsp; jona&nbsp; Cd(II)&nbsp; u&nbsp; obogaćenom&nbsp; uzorku&nbsp; česmenske&nbsp; vode,&nbsp; gde&nbsp; su&nbsp; se dobijene vrednosti u&nbsp; saglasnosti sa očekivanom. Elektroda od ugljenične paste povr&scaron;inski je&nbsp; modifikovana primenom&nbsp; Sb₂O₃-MWCNT nanokompozitnog&nbsp; materijala&nbsp; i&nbsp; primenjena&nbsp; za&nbsp; direktno&nbsp; voltametrijsko&nbsp; određivanje imidakloprida&nbsp; u&nbsp; model&nbsp; rastvorima.&nbsp; U&nbsp; cilju&nbsp; postizanja&nbsp; &scaron;to&nbsp; boljih&nbsp; analitičkih&nbsp; performansi optimizovani su eksperimentalni uslovi merenja kao &scaron;to su pH-vrednost rastvora pomoćnog elektrolita&nbsp; i&nbsp; kondicioniranje&nbsp; povr&scaron;ine&nbsp; voltametrijskog&nbsp; senzora.&nbsp; Kao&nbsp; optimalna&nbsp; pH-vrednost pomoćnog elektolita (Britton-Robinsonovog pufera) odabrana je pH 7,0, a ponavljanje ciklusa cikliranja najmanje 4 puta povoljno utiče na stabilnost&nbsp; voltametrijskih signala. Optimizovana metoda primenjena je za SW direktno katodno određivanje imidakloprida u koncentracionom intervalu od 1,41 do 32,77 &mu;g cm ^-3 uz dobijeni korelacioni faktor od 0,9995. Na osnovu dobijenih rezultata može se zaključiti da su razvijene analitičke metode pre svega&nbsp; osetljive,&nbsp; selektivne,&nbsp; reproduktivne&nbsp; i&nbsp;&nbsp; jednostavne&nbsp; &scaron;to&nbsp; omogućava&nbsp; njihovu&nbsp; primenu&nbsp; za veliki broj uzoraka.&nbsp; Merenjima u model i realnim rastvorima dokazana je mogućnost njihove primene&nbsp; u&nbsp;&nbsp; komplikovanim&nbsp; matriksima,&nbsp; pri&nbsp; različitim&nbsp; pH&nbsp; vredostima&nbsp; pri&nbsp; čemu&nbsp; su&nbsp; dobijeni<br />rezultati koji su u saglasnosti sa rezultatima primenjenih komparativnih metoda. Naravno, za dobijanje&nbsp; reprezentativnih&nbsp; rezultata&nbsp; neohodno&nbsp; je&nbsp; izvr&scaron;iti&nbsp; optimizaciju&nbsp; uslova&nbsp; merenja&nbsp; &scaron;to podrazumeva sam odabir supstrat-elektrode, odabir povr&scaron;inskog modifikatora i optimizaciju eksperimentalnih uslova merenja.</p> / <p>The&nbsp; aim of this&nbsp; Ph.D. thesis&nbsp; was the development of new, sensitive, selective and economically&nbsp; viable&nbsp; voltametric&nbsp; working&nbsp; electrode&nbsp; for&nbsp; continuous&nbsp; monitoring&nbsp; of&nbsp; different target&nbsp; analytes.&nbsp; The&nbsp; use&nbsp; of&nbsp; these&nbsp; advantaged&nbsp; working&nbsp; electrodes&nbsp; was&nbsp; investigated&nbsp; using voltametric methods both in model solutions and in certain real systems.SW-ASV&nbsp; based on glassy carbon&nbsp; electrode surface modified with&nbsp; Bi- MWCNT and BiOCl-MWCNT&nbsp; were&nbsp; applied&nbsp; for&nbsp; determination&nbsp; of&nbsp; Pb(II)&nbsp; and&nbsp; Cd(II)&nbsp; ions.&nbsp; Voltametric determination&nbsp; of&nbsp; Pb(II)&nbsp; and&nbsp; Cd(II)&nbsp; ions&nbsp; was&nbsp; performed&nbsp; at&nbsp; working&nbsp; potential&nbsp; of&nbsp; -1.2&nbsp; V (measured against the saturated calomel electrode) and time of electrodeposition of 120 s. All measurements were performed in acetate buffer solution pH 4.0. Concentration range of targetanalites were&nbsp; 5-50 &mu;g&nbsp; dm -3 . Using this type of electrode,&nbsp; obtained&nbsp; detection limits for&nbsp; Pb(II) and Cd(II) ions&nbsp; were&nbsp; 0.57&nbsp; &mu;g&nbsp; dm -3 and 1.2&nbsp; &mu;g&nbsp; dm -3 , respectively, with RSD lower than 10%.This&nbsp; method&nbsp; was&nbsp; applied&nbsp; for&nbsp; target&nbsp; ions&nbsp; determination&nbsp; in&nbsp; sediment&nbsp; pore&nbsp; water&nbsp; sample,&nbsp; and obtained results are comparable with those who are obtained using GFAAS method. Bismuth oxychloride-multiwalled carbon nanotubes composite material was applied for&nbsp; surface&nbsp; modification&nbsp; of&nbsp; the&nbsp; glass-carbon&nbsp; electrode&nbsp; for&nbsp; quick&nbsp; and&nbsp; simple&nbsp; voltametric determination&nbsp; of&nbsp; Zn(II)&nbsp; ions&nbsp; using&nbsp; the&nbsp; SW-ASV&nbsp; method.&nbsp; BiOCl-MWCNT/GCE&nbsp; showed&nbsp; a linear&nbsp; analytical&nbsp; response&nbsp; in&nbsp; a&nbsp;&nbsp; concentration&nbsp; from&nbsp; 2.50&nbsp; to&nbsp; 80.0&nbsp; &mu;g&nbsp; dm -3 with&nbsp; a&nbsp; value&nbsp; of detection limit 0.75 &mu;g dm -3 at a acumulation time of 120 s and an electrodeposition potential of&nbsp; -1.40 V vs. saturated&nbsp; calomel electrode.&nbsp; Measurements were carried out in acetate buffer pH 4.5. The obtained&nbsp; value of the RSD&nbsp; was&nbsp; 4.8%. The performance of the newly designed BiOCl-MWCNT/GCE&nbsp; electrode,&nbsp; traditional&nbsp; bismuth-based&nbsp; electrode&nbsp; (BiF/GCE), MWCNT/GCE,&nbsp; BiF-MWCNT/GCE&nbsp; and&nbsp; unmodified&nbsp; GC&nbsp; electrodes&nbsp; were&nbsp; compared.&nbsp; The applied electrode shows very good electroanalytic properties when determining this target ion. Obtained results are in good agreement with declared value in case of dietetic suplement, and in the brewer&rsquo;s yeast sample results were comparable with FAAS results. Carbon&nbsp; paste&nbsp; electrode&nbsp; surface&nbsp; modified&nbsp; with&nbsp; new&nbsp; composite&nbsp; material&nbsp; based&nbsp; on multiwalled carbon nanotubes and&nbsp; Sb2O3&nbsp; particles. The composite is characterized by TEM, EDS and&nbsp; XRD measurment. Sb2O3- MWCNT/CPE was characterized by cyclic voltammetry and measurements were carried out in a&nbsp; hydrochloric acid&nbsp; solution&nbsp; (pH 2.0). Using the SWASV&nbsp; method,&nbsp; this&nbsp; working&nbsp; electrode&nbsp; was&nbsp; used&nbsp; to&nbsp; determine&nbsp; Pb(II),&nbsp; Cd(II)&nbsp; ions&nbsp; in&nbsp; the concentration range&nbsp; from&nbsp; 2.0&nbsp; to 40.0&nbsp; &mu;g dm -3 for Pb(II) and 2.0-40.0&nbsp; &mu;g dm -3 for Cd(II) ions. Newly&nbsp; designed&nbsp; sensor&nbsp; showed&nbsp; good&nbsp; linear&nbsp; dependences&nbsp; for&nbsp; both&nbsp; target&nbsp; ions.&nbsp; The&nbsp; most optimal&nbsp; procedure&nbsp; involving&nbsp; application&nbsp; of&nbsp; Sb2O3-MWCNT/CPE&nbsp; in&nbsp;&nbsp; .01&nbsp; mol&nbsp; dm -3 hydrochloric&nbsp; acid,&nbsp; with&nbsp; electroposition&nbsp; time&nbsp; of&nbsp; target&nbsp; ions&nbsp; 120&nbsp; s&nbsp; at&nbsp; a&nbsp; electrodeposition potential&nbsp; of&nbsp; -1.2&nbsp; V.&nbsp; Obtained&nbsp;&nbsp; values&nbsp; of&nbsp;&nbsp;&nbsp; LOD&nbsp; 1,1&nbsp; &mu;g&nbsp; dm -3 for&nbsp; Cd(II)&nbsp; and&nbsp; for&nbsp; 1,6&nbsp; &mu;g&nbsp; dm -3 Pb(II)&nbsp; ions.&nbsp; An&nbsp; optimized&nbsp; method&nbsp; based&nbsp; on&nbsp; this&nbsp; type&nbsp; of&nbsp; voltametric&nbsp; sensor&nbsp; has&nbsp; been successfully&nbsp; applied&nbsp; for&nbsp; determination&nbsp; of&nbsp; Cd(II)&nbsp; ion&nbsp; in&nbsp; a&nbsp; spiked&nbsp; tap&nbsp; water&nbsp; sample.&nbsp; Results obtained during this measurment were in tune with expected results. CPE&nbsp; was&nbsp; surface&nbsp; modified&nbsp; using&nbsp; Sb2O3-MWCNT&nbsp; nanocomposite&nbsp; material&nbsp; and tested&nbsp; for&nbsp; direct&nbsp; voltametric&nbsp; determination&nbsp; of&nbsp; imidacloprid&nbsp; in&nbsp; model&nbsp; solutions.&nbsp; In&nbsp; order&nbsp; to achieve the best analytical performance, experimental conditions of measurement such as the pH value of the supporting electrolyte and conditioning of the voltametric sensor surface havebeen&nbsp; optimized.&nbsp; As&nbsp; an&nbsp; optimum&nbsp; pH&nbsp; value&nbsp; of&nbsp; the&nbsp; supporting&nbsp; electrolyte&nbsp; (Britton-Robinson buffer), a pH 7.0 was selected, and the repeating cycles of the cycling process at least 4 times favorably&nbsp; influenced&nbsp; the&nbsp; stability&nbsp; of&nbsp; the&nbsp; voltametric&nbsp; signals.&nbsp; The&nbsp; optimized&nbsp; method&nbsp; was applied for the SW direct cathodic determination&nbsp; of&nbsp; imidacloprid in the concentration range from 1.41 to 32.77 &mu;g cm -3&nbsp; with obtained correlation factor of 0.9995. Based on results it can be concluded that developed analytical methods are sensitive, selective, reproducibile and simple, which can enable their application for various number of samples. Measurements in the model and real solutions have demonstrated the possibility of their&nbsp; application&nbsp; in&nbsp; complicated&nbsp; matrices,&nbsp; at&nbsp; different&nbsp; pH,&nbsp; whereby&nbsp; obtained&nbsp; results&nbsp; are&nbsp; in accordance&nbsp; with&nbsp; the&nbsp; results&nbsp; of&nbsp; the&nbsp; applied&nbsp; comparative&nbsp; methods.&nbsp; For&nbsp; obtainig&nbsp; of representative&nbsp; results&nbsp; it&nbsp; is&nbsp; necessary&nbsp; to&nbsp; optimize&nbsp; conditions&nbsp; of&nbsp; measurment&nbsp; which&nbsp; include: selection of substrat electrode, surface modifier and optimization of experimental condition.</p>

In this work, we demonstrate an inimitable liquid crystalline template strategy for the preparation of water dispersible electrically conducting poly(3,4-ethylenedioxythiophene) nanospindles (PEDOTSs). PEDOTSs were formed during the polymerization of the spindle shaped liquid crystalline phase of “EDOT–PDPSA” which was formed by the specific interactions of 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) with 3-pentadecyl phenol-4-sulphonic acid (PDPSA). Liquid crystalline phases were characterized by Polarized Light Microscopic (PLM) analyses, rheology and XRD. Morphology and solid state ordering of conducting nanospindles were characterized by SEM, TEM and XRD. PEDOTSs exhibited an electrical conductivity of ~2.79 S cm⁻¹ and a good thermal stability (~300 °C), which suggests their applicability in fabricating high temperature electronic devices. Furthermore, electrochemical studies of PEDOTS modified glassy carbon electrodes (GCEs) showed an oxidation peak of ascorbic acid at a lower potential of 0.046 V with a peak current about 10 times (91.68 µA) higher than that of the bare GCE with excellent electrode stability, proposing that it can be used as a steady electrode for the electro-catalytic oxidation of similar molecules.

This dissertation describes electrochemical oxidation of Padan 95 SP on Boron-doped diamond (BDD) electrode mainly by •OH radicals (which was measured by indirect method, i.e: the formation of 2-Hydroxylterephthalic acid (2-HTA)), Electro-Fenton and the combination with adsorption technology for increasing total organic carbon (TOC) removal efficiency. In this study, the formation of 2-HTA on BDD electrode via the reaction between terephthalic acid (TA) and •OH as a method to quantify hydroxyl radical formation was investigated. The degradation of Cartap in Padan 95SP (95 % Cartap) on BDD was investigated. Operating parameters such as applied current density, types of electrolyte and initial concentration of Padan 95SP were varied in order to determine their effect on the degradation efficiency of Cartap. The concentration of Cartap was determined by UV-Vis spectroscopy according to 5,5-Dithiobis-(2-nitrobenzoic acid) (DTNB) procedure. High Performance Liquid Chromatography (HPLC) and Gas Chromatography/Mass Spectrometry (GC-MS) were used to characterize the commercial Padan 95SP and the formation of by-products. The optimal conditions for Cartap degradation by electrochemical process have been established: concentration of electrolyte: 0.05 M Na2SO4, initial concentration of Padan 95SP: 300 mg·L-1, pH = 3, current density: j = 20 mA·cm-2. At this condition, Cartap decreases to 41 %, TOC decay reaches 8 %. To increase TOC decay at higher Padan 95 SP concentration in aqueous solution, the combination technique of electrochemical process with other techniques was proposed, e.g.: Electro-Fenton technique, pre-oxidizing by NaOCl or the Electro-Adsorption combination. In the Electro-Fenton technique, we investigated the influence of factors such as the presence of NaOCl in pretreatment of process, affects of H2O2 concentration, Fe2+ dosage, co-catalysts metals ion and pH. The efficiency shows approximately 80 % of TOC removed at 700 mg·L-1 Padan 95 SP. The combination of electrochemical with adsorption method shows the efficient removals of TOC and Padan 95SP (95 % Cartap) based on reagents oxidation in electrochemical process and adsorption of granular activated carbon (GAC), respectively. The influence of factors such as supporting electrolytes, flow rate, bed height, recycling number as well as initial concentration were investigated in order to determine their effects on TOC removal. The efficiency of this combination shows approximately 75 % of TOC and more than 90 % of Cartap removed at 700 mg·L-1 Padan 95 SP. Fourier Transform Infrared (FT-IR) and (Brunauer–Emmett–Teller) BET surface analysis were applied to investigate GAC before and after usage. The results have shown that the application of electrochemical technique with other methods can be the potential option for treatment of wastewater containing Padan 95 SP. / Diese Dissertation befasst sich mit der Reduktion des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) aus wässriger Lösung, die Padan 95 SP enthält. Als Methoden zur Minimierung von TOC wurden die elektrochemische Oxidation von Padan 95 SP auf Bor-dotierter Diamant (BDD) Elektroden durch •OH Radikale, Elektro-Fenton und die Kombination mit Adsorptionstechnologien verwendet. Die •OH Radikale wurden dabei durch indirekte Methoden, z. B. die Bildung von 2-HTA gemessen. Zur Quantifizierung der Hydroxylradikalbildung wurde in dieser Studie die Bildung von 2-Hydroxylterephthalsäure (2-HTA) an BDD-Elektroden über die Reaktion zwischen Terephthalsäure (TA) und •OH untersucht. Weiterhin befasst sich die Arbeit mit dem Abbau von Cartap in Padan 95SP (95% Cartap) auf BDD über die Reaktion zwischen Cartap und Hydroxylradikalen. Betriebsparameter wie die angewandte Stromdichte, die Elektrolytarten und die Anfangskonzentration von Padan 95SP wurden variiert, um ihre Wirkung auf die Abbaueffizienz von Cartap zu bestimmen. Die Konzentration von Cartap wurde mittels UV-Vis-Spektroskopie mit dem 5,5-Dithiobis-(2-Nitrobenzoesäure) (DTNB) Verfahren bestimmt. Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) und Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC-MS) wurden verwendet, um das kommerziell erhältliche Padan 95SP und die Bildung von Nebenprodukten beim Abbau von Cartap zu charakterisieren. Die optimalen Bedingungen für die Cartap-Degradation durch den elektrochemischen Prozess wurden festgelegt: Konzentration des Elektrolyten: 0.05 M Na2SO4, Padan 95SP Anfangskonzentration: 300 mg·L-1, pH = 3, Stromdichte: j = 20 mA·cm-2. Unter diesen Bedingungen sinkt Cartap auf 41% und der TOC erreicht 8 % des jeweiligen Ausgangswertes. Um den TOC-Zerfall bei höher Padan 95 SP Konzentration in Wasser zu erhöhen, wurde die Kombination des elektrochemischen Prozesses mit anderen Techniken vorgeschlagen, z.B.: Elektro-Fenton-Technik, Oxidation mit NaOCl, oder die Kombination des elektrochemischen Prozesses mit einem Adsorptionsprozess. Bei der Elektro-Fenton-Technik wurde der Einfluss von Faktoren wieder Anwesenheit von NaOCl in der Prozessvorbehandlung, Auswirkungen der H2O2-Konzentration, Fe2+-Dosierung, Metallionen als Cokatalysatoren und der pH-Wert der Lösung untersucht, um die Wirkung auf die Abbau-Effizienz für Cartap zu bestimmen. Es konnten mit dieser Methode rund 80 % TOC, ausgehend von 700 mg·L-1Padan 95SP, entfernt werden. Die Kombination des elektrochemischen Prozesses mit einer Adsorptionsmethode ermöglicht eine effiziente Entfernung von TOC und Padan 95SP (95% Cartap). Dies basiert auf der Oxidation und anschließender Adsorption auf granularer Aktivkohle (GAC). Der Einfluss von Faktoren wie Leitelektrolyten, Flussrate, Betthöhe, Recyclingzahl sowie die Anfangskonzentration von Padan 95 SP wurde untersucht, um deren Auswirkungen auf die TOC Entfernung zu bestimmen. Durch die Kombination konnten so 75% desTOC und mehr als 90% Cartap bei 700 mg·L-1Padan 95 SP entfernt werden. Fourier-Transformations-Infrarot (FT-IR) und BET-Oberflächenanalyse wurden angewendet, um GAC vor und nach der Verwendung zu untersuchen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Kombination des elektrochemischen Prozesses mit anderen Methoden eine potentielle Option für die Behandlung von Abwasser, das Padan 95 SP enthält, sein kann.