Die Fähigkeit künstlicher Mikroschwimmer, auf äußere Reize zu reagieren und deren mechanistische Ursprünge, gehören zu den umstrittensten Fragen der interdisziplinären Wissenschaft. Die Erzeugung chemischer Gradienten ist dabei eine technische Herausforderung, da sie aufgrund von Diffusion schnell abflachen. Inspiriert von ‘Stop-flow’ Experimenten aus der chemischen Kinetik zeigen wir, dass die Erzeugung eines mikrofluidischen Gradienten durch Kombination mit einer Druckrückkopplungsschleife zur präzisen Kontrolle des Stoppens erfolgen kann. Das ermöglicht es uns, die mechanistischen Details der Chemotaxis von künstlichen katalytischen Janus-Mikromotoren zu untersuchen. Wir stellen fest, dass diese Kupfer-Janus-Partikel eine chemotaktische Bewegung entlang des Konzentrationsgradienten sowohl in positiver als auch in negativer Richtung zeigen, und wir demonstrieren die mechanische Reaktion der Partikel auf unausgewogene Widerstandskräfte, die dieses Verhalten erklären.

Die atomgenaue Synthese von helikalen mehrschichtigen Nanographenen (NG) neuer Topologie ist aufgrund ihrer exotischen physikochemischen Eigenschaften von substanziellem Interesse. Allerdings ist die Synthese dieser Nanographene, speziell mit nicht benzoiden Ringen, äußerst herausfordernd. Wir präsentieren in diesem Artikel die effiziente Synthese des ersten helikalen zweischichtigen nichtbenzoiden Nanographens (HBNG1) ausgehend von einem maßgeschneiderten Azulen-Vorläufer, welcher bereits das neuartige Strukturelement zweier in [10]Helicen eingebetteter heptagonaler Ringe enthält. Die Einkristalldiffraktometrie gibt Einblick in die sterisch stark gespannte Doppelschichtstruktur mit einem Rekordwert für den kleinsten Interschichtabstand von nur 3.2 Å, in der Substanzklasse der doppelschichtigen Nanographene. Bemerkenswerterweise kommt es im Raum zwischen den Schichten zu π–π Wechselwirkungen. Wir untersuchten diesen Effekt durch in situ Spektroelektrochemie und Simulationen mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT). Des Weiteren wurden die chiroptischen Eigenschaften der P/M-Enantiomere von HBNG1 durch Zirkulardichroismus und zirkular polarisierter Fluoreszenz charakterisiert.

The thesis primarily focuses on the pressure influence on the reaction rate of char gasification using laboratory thermogravimetric analysis (TGA). It discusses also the gasification of char with a mixture of gasifying agents (CO2 + steam) under a pressure of 40 bar and temperatures up to 1100°C, which has not been reported in the literature to the best of found knowledge. The first section investigates the pressure impact on char gasification kinetics by varying the total and partial pressure of the gasifying agent. The second section investigates the effect of gasifying agent at 40 bar and combining the pyrolysis step in the investigation, which was done in-situ under inert atmosphere. Then, mixtures of the two gasifying agents were used for the gasification in separate experiments. The third section uses raw coal as material and gives attention to the char structure formed after the pyrolysis under the high pressure. The fourth section includes measurements for char characteristics during the gasification reaction and compares them with the reference char data performed previously in this research group under atmospheric pressure.:Abstract 1. Introduction 1 1.1 Scope of the thesis 1 1.2 Layout of the thesis 2 2. Literature Review 4 2.1 Background 4 2.2 Coal and gasification 5 2.2.1 Coal classification and characteristics 5 2.2.2 Introduction to gasification process 7 2.2.3 Coal Analysis 10 2.2.4 Pyrolysis 13 2.2.5 Gasification reactions 13 2.2.6 Mechanism of solid-gas reaction and Thermodynamic background 14 2.2.7 Regimes of gas-Solid Reactions 17 2.2.8 Summary 19 2.3 Effect of Pressure on gasification process 20 2.3.1 Advantages of high-pressure operation 20 2.3.2 Influence on the pyrolysis step 20 2.3.3 Effect of Pressure on coal swelling 21 2.3.4 Pressure influence on char morphology 23 2.3.5 Effect of pyrolysis pressure on char surface area 23 2.3.6 Effect on reaction order n 24 2.3.7 Summary 24 2.4 Pressure influence on char gasification reaction kinetics 24 2.4.1 Pressure influence on gasification reaction kinetics 25 2.4.2 Summary 27 2.5 Char gasification using gasifying agent mixtures 27 2.5.1 Mechanism 29 2.5.2 The role of the inhibition and the catalytic effect 29 2.5.3 Summary 32 2.6 Thermodynamic aspects and the estimation of the reaction rate 32 2.6.1 Background 32 2.6.2 Basic definitions of reaction rate 34 2.6.3 Intrinsic kinetic models 35 2.6.4 Theoretical models 36 2.6.5 Empiric Models 39 2.6.6 Intrinsic kinetic models expressed by CO2 concentration 40 2.6.7 Arrhenius Activation Energy 40 2.6.8 Differentiation of a polynomial fit data (Differential method): 41 2.6.9 Summary 43 3. Experimental Analysis 44 3.1 Thermogravimetry 44 3.2 Testing of the gas volume fraction and the total pressure influence on char gasification 45 3.2.1 Testing of the gas volume fraction influence 45 3.2.2 Testing of system pressure influence on char gasification 56 3.2.3 Discussion 65 3.3 Coal gasification at 40 bar with pure CO2, H2O and their mixtures 65 3.3.1 Gasification with pure CO2 and H2O 66 3.3.2 Coal gasification using CO2 / H2O mixtures at high system pressure 87 3.3.3 Discussion 96 3.4 Pressure influence on coal gasification 100 3.4.1 Coal gasification under different system pressures 100 3.4.2 The effect of increasing pressure on coal morphology 104 3.4.3 Discussion 117 3.5 Influence of the pressure on the char properties during gasification 118 3.5.1 Discussion 129 4. General discussion 134 5. Conclusions 139 5.1 Significance of the findings 143 5.2 Recommendations 144 6. Appendix 146 6.1 Literature and Results 146 6.1.1 Conditions influence on gasification of the (a) temperature, (b) partial pressure 146 6.1.2 TGA-DMT 147 6.1.3 Testing of the gas volume fraction influence on coal gasification 148 6.1.4 Testing of system pressure influence on char gasification 150 6.1.5 Coal gasification at 40 bar with pure CO2, H2O and their mixtures 152 6.1.6 Coal gasification under different pressures 162 6.1.7 Summary of gas mixture gasification studies 167 6.2 Figures Index 169 6.3 Tables Index 175 6.4 References 177

Alumina-containing binders are widely used for the binding of catalyst particles by spray drying and calcination. As a part of the active matrix, they contribute to the catalytic performance of the resulting catalyst grain during hydrocarbon cracking. In this study, correlations are investigated using different compositions of Al- and Si-based binders (AlCl3 and colloidal silica) together with kaolin as a filler and ZSM-5 zeolite as an active compound. It was demonstrated that the conversion of a 50:50 hexane mixture, the selectivity toward unsaturated hydrocarbons, and the shape-selective conversion of the hexane feed are highly dependent on the amount and distribution of alumina in binder formulations. While silica species are distributed near the outer shell of catalyst grains, the alumina species are distributed evenly as an adhesive between the catalyst compounds ZSM-5 and kaolin. An optimum amount of alumina in binder formulations results in an increasing conversion of hydrocarbon feedstock due to optimum in active-site accessibility but only a slight decrease in shape-selective properties compared to pure ZSM-5, resulting in an optimum yield of light olefins, especially propylene.

The increasing emergence of resistances against established antibiotics is a substantial threat to human health. The discovery of new compounds with potent antibiotic activity is thus of utmost importance. Within this work, we identify strong antibiotic activity of the natural product myxocoumarin B from Stigmatella aurantiaca MYX-030 against a range of clinically relevant bacterial pathogens, including clinical isolates of MRSA. A focused library of structural analogs was synthesized to explore initial structure-activity relationships and to identify equipotent myxocoumarin derivatives devoid of the natural nitro substituent to significantly streamline synthetic access. The cytotoxicity of the myxocoumarins as well as their potential to cure bacterial infections in vivo was established using a zebrafish model system. Our results reveal the exceptional antibiotic activity of the myxocoumarin scaffold and hence its potential for the development of novel antibiotics.

We present an autonomous, chemical logic gate based on a switchable metal–organic framework (MOF) composite, containing carbon nanoparticles and a Pt catalyst. The switchable MOF composite performs as AND logic gate. Hydrogen and oxygen gas streams serve as binary inputs. Catalytically formed water induces a structural transition (crystal volume expansion) of the MOF, and as a consequence, a detectable drop in conductance of the composite as a ‘true’ output only if both gases come in contact with the composite.

Kohlenstofffasern sind aufgrund ihrer hohen massespezifischen mechanischen Belastbarkeit ein unverzichtbarer Werkstoff im Leichtbau. Diese werden mittels eines zeitaufwendigen, thermooxidativen Stabilisierungs- und eines inerten Carbonisierungsprozesses hergestellt. Bedingt durch die kommerziell dominierte Forschung basiert der Großteil der veröffentlichten Optimierungsansätze für diese Prozessschritte bis heute auf unvollständigen, empirischen oder nicht-parametrischen, datengetriebenen Modellen. In der vorliegenden Arbeit werden hybride semi-parametrische Ansätze unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Precursorsystems und der Prozessparameter für die Modellierung des Stabilisierungsprozesses untersucht. / Carbon fibers are an indispensable material in lightweight construction due to their mass-specific mechanical load capaci-ty. These are produced by means of a time-consuming, thermo-oxidative stabilization process and an inert carbonizationprocess. Due to commercially dominated research, the majority of published optimization approaches for these processsteps to date is based on incomplete, empirical or non-parametric, data-driven models. In the present work, hybrid semi-parametric approaches considering the properties of the precursor system and the process parameters are investigated formodeling of the stabilization process.

Due to the voltage driven switching at low voltages combined with nonvolatility of the achieved polarization state, ferroelectric materials have a unique potential for low power nonvolatile electronic devices. The competitivity of such devices is hindered by compatibility issues of well-known ferroelectrics with established semiconductor technology. The discovery of ferroelectricity in hafnium oxide changed this situation. The natural application of nonvolatile devices is as a memory cell. Nonvolatile memory devices also built the basis for other applications like in-memory or neuromorphic computing. Three different basic ferroelectric devices can be constructed: ferroelectric capacitors, ferroelectric field effect transistors and ferroelectric tunneling junctions. In this article first the material science of the ferroelectricity in hafnium oxide will be summarized with a special focus on tailoring the switching characteristics towards different applications.The current status of nonvolatile ferroelectric memories then lays the ground for looking into applications like in-memory computing. Finally, a special focus will be given to showcase how the basic building blocks of spiking neural networks, the neuron and the synapse, can be realized and how they can be combined to realize neuromorphic computing systems. A summary, comparison with other technologies like resistive switching devices and an outlook completes the paper.

Membrane filtration processes such as micro-, ultra- and nanofiltration as well as reverse osmosis are frequently used in industrial water treatment and waste water treatment. They use a high physical pressure difference as a driving force to press water through a semi-permeable membrane and produce purified water. For this reason, large amounts of energy are required. In contrast, forward osmosis is an innovative membrane filtration process that uses the naturally occurring osmotic pressure gradient between two liquids to generate the water flow through the semi-permeable membrane. In forward osmosis, one liquid with low osmotic pressure is concentrated (so-called Feed Solution) and a second liquid is diluted (so-called Draw Solution). If 'pure' water is to be obtained, a second treatment stage is necessary to regenerate the draw solution. Due to its natural driving force, forward osmosis offers the potential for energy-efficient treatment of water from various sources. This makes it a promising process for further concentration of aqueous product and waste water streams. For this reason, the application possibilities and the potential of forward osmosis in the industrial water sector were examined in more detail within the scope of this thesis. Within laboratory tests, forward osmosis treatment of different liquid streams of a dairy, an automobile production as well as a semiconductor production was examined. The core of the laboratory test set-up was a membrane test cell for flat sheet membranes with an effective membrane area of 48 cm². Special forward osmosis membranes from various manufacturers were used. The feed and draw solutions were circulated and increasingly concentrated or diluted during the course of the experiment. The permeate flow was determined by recording the change in mass. Conductivity measurements as well as analyses of the examined waters before and after the experiments allowed conclusions to be drawn about possible solute diffusion through the membrane. In addition to the laboratory tests, a model was developed and validated to simulate the experiments. Three partially adapted models from literature were used. The average permeate fluxes achieved in the laboratory experiments with real industrial water depended mainly on the osmotic pressure difference between feed and draw solution. The permeate fluxes were between 0.1 and 19.4 L/(m²⸱h) for the automotive industry, between 7.9 and 21.0 L/(m²⸱h) for the dairy industry and between 10.5 and 33.4 L/(m²⸱h) for the semiconductor industry. The reverse solute fluxes determined were between 37.7 and 21.3 g/(m²⸱h), between 4.1 and 12.2 g/(m²⸱h) and between 8.0 and 40.9 g/(m²⸱h). Within modelling, the tests with waters from automobile production were simulated. For the most part, the permeate fluxes could be well represented. The calculation of the reverse solute fluxes sometimes showed large deviations from the actual measurements. Standardized membrane performance tests were used to evaluate the development of permeate flux and to indicate fouling. Depending on the substances contained in the water, fouling occurred in the test series. In addition, deposits on the membrane surface were visible in some tests. However, the visible deposits did not always lead to a decrease in permeate flow. In an exemplary cleaning test, the membrane performance could be restored by rinsing with sodium hydroxide solution and hydrochloric acid. As a result of this thesis, different forward osmosis application scenarios in the examined industrial enterprises could be developed. For economic reasons, those scenarios in which both the feed and the draw solution are industrial waters and two liquids are treated simultaneously in one step are of particular interest. The use of an artificial Draw Solution and its treatment is unnecessary in this case. Such application scenarios could be derived for dairy and semiconductor production. No suitable Draw Solution could be identified in the investigated automobile production, which is why only applications with an artificial Draw Solution are conceivable here. In general, the critical points when using forward osmosis are the reverse solute flux through the membrane, the deterioration of the membrane performance due to fouling and the economic efficiency of the process. More in-depth investigations are required here. / Membranfiltrationsverfahren wie die Mikro-, Ultra- und Nanofiltration sowie die Umkehrosmose werden häufig in der industriellen Wasseraufbereitung sowie Abwasserbehandlung eingesetzt. Sie nutzen einen hohen physikalischen Druck-unterschied als Triebkraft, um Wasser durch eine semipermeable Membran zu pressen und gereinigtes Wasser zu erzeugen. Dafür sind große Energiemengen nötig. Im Gegensatz dazu ist die Vorwärtsosmose ein innovatives Membranfiltrationsverfahren, welches den natürlich vorkommenden osmotischen Druckgradienten zwischen zwei Flüssigkeiten nutzt, um einen Wasserfluss durch die semipermeable Membran zu erzeugen. Dabei wird eine Flüssigkeit mit niedrigem osmotischen Druck aufkonzentriert (sog. Feed Solution) und eine zweite Flüssigkeit verdünnt (sog. Draw Solution). Soll „reines“ Wasser gewonnen werden, ist eine zweite Aufbereitungsstufe zur Regeneration der Draw Solution notwendig. Durch die natürliche Triebkraft bietet die Vorwärtsosmose das Potenzial zur energieeffizienten Behandlung von Wässern verschiedener Herkunft. Damit ist sie ein vielversprechendes Verfahren zur weitergehenden Aufkonzentrierung von wässrigen Produkt- und Abwasserströmen. Aus diesem Grund wurden die Einsatzmöglichkeiten und das Potenzial der Vorwärtsosmose im industriewasser-wirtschaftlichen Bereich im Rahmen dieser Arbeit näher untersucht. Im Rahmen von Laborversuchen wurde die Aufbereitung von verschiedenen Flüssigkeitsströmen einer Molkerei, einer Automobilproduktion sowie einer Halbleiter-fertigung mittels Vorwärtsosmose untersucht. Kernstück der Laborversuchsanlage war eine Membrantestzelle für Flachmembranen mit einer wirksamen Membranfläche von 48 cm². Zum Einsatz kamen spezielle Vorwärtsosmosemembranen verschiedener Hersteller. Die genutzten Feed und Draw Solutions wurden im Kreislauf geführt und im Versuchsverlauf zunehmend aufkonzentriert bzw. verdünnt. Über die Erfassung der Masseänderung wurde der Permeatfluss bestimmt. Leitfähigkeitsmessungen sowie Analysen der untersuchten Wässer vor und nach den Versuchen ließen Schlussfolgerungen über eventuell auftretende Stoffdiffusion durch die Membran zu. Zusätzlich zu den Laborversuchen wurde ein Modell zur Simulation der Experimente erstellt und validiert. Dabei wurden drei, teilweise adaptierte, Modellansätze aus der Literatur verwendet. Die durchschnittlichen Permeatflüsse, welche bei den Laborversuchen mit reellen industriellen Wässern erreicht wurden, hingen vorrangig von der osmotischen Druckdifferenz zwischen Feed und Draw Solution ab. Die Permeatflüsse lagen für die Automobilindustrie zwischen 0,1 und 19,4 L/(m²⸱h), für die Molkerei zwischen 7,9 und 21,0 L/(m²⸱h) und für die Halbleiterindustrie zwischen 10,5 und 33,4 L/(m²⸱h). Die ermittelten Salzrückflüsse betrugen zwischen 37,7 und 21,3 g/(m²⸱h), zwischen 4,1 und 12,2 g/(m²⸱h) sowie zwischen 8,0 und 40,9 g/(m²⸱h). Im Rahmen der Modellierung wurden die Versuche mit Wässern der Automobilproduktion nachgebildet. Dabei konnten die Permeatflüsse größtenteils gut dargestellt werden. Die Berechnung der Salzrückflüsse wies gegenüber den tatsächlichen Messungen mitunter große Abweichungen auf. Durch standardisierte Membranleistungstests konnte die Entwicklung des Permeatflusses evaluiert und Fouling nachgewiesen werden. In Abhängigkeit der Wasserinhaltsstoffe trat Fouling in den Versuchsreihen auf. Zusätzlich waren bei einigen Versuchen Ablagerungen auf der Membranoberfläche sichtbar. Jedoch führten die sichtbaren Ablagerungen nicht in allen Fällen zu einem Rückgang des Permeatflusses. In einem exemplarisch durchgeführten Reinigungsversuch konnte die Membranleistung durch Spülprozesse mit Natronlauge und Salzsäure wiederhergestellt werden. Als Ergebnis der Arbeit konnten verschiedene Anwendungsszenarien für den Einsatz der Vorwärtsosmose in den untersuchten Industriebetrieben entwickelt werden. Hierbei sind aus wirtschaftlichen Gründen vor allem jene Szenarien interessant, bei denen sowohl die Feed als auch die Draw Solution industrielle Wässer sind und zwei Flüssigkeiten simultan in einem Schritt aufbereitet werden. Der Einsatz einer künstlichen Draw Solution und deren Aufbereitung ist in diesem Fall unnötig. Solche Anwendungsszenarien konnten für die Molkerei sowie die Halbleiterherstellung abgeleitet werden. In der untersuchten Automobilproduktion konnte keine geeignete Draw Solution identifiziert werden, weshalb hier lediglich Anwendungen mit einer künstlichen Draw Solution denkbar sind. Als kritische Punkte beim Einsatz der Vorwärtsosmose stellten sich der auftretende Salzrückfluss durch die Membran, die Verschlechterung der Membranleistung durch Fouling sowie die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens heraus. Hier besteht weitergehender Forschungsbedarf.

Im Rahmen der Dissertation wurde ein Messsystem für die Bestimmung der komplexen Permittivität von inhomogenen Stoffen bei hohen Temperaturen entwickelt, gebaut und getestet. Die Messungen des Realteils sind wenig von Störungen betroffen, Messungen des Imaginärteils unterliegen Messschwankungen bis zu 20 %. Der Effekt nimmt mit steigendem Imaginärteil ε'' ab. Der Einfluss verschiedener Messsystemkomponenten wurde untersucht, darunter der Einfluss eines Wärmestrahlungsschutzes, der Probenposition und der Messauflösung des verwendeten Vektornetzwerkanalysators. Alle Fehlerquellen wurden als hinreichend klein bewertet. Anschließend wurden verschiedene Feuerfestmaterialien aus der Glasindustrie und ein beispielhaftes Glasgemenge untersucht und die Ergebnisse mit Mikrowellenerwärmungsversuchen verglichen. Eine qualitative Übereinstimmung konnte nachgewiesen werden. Abschließend wurden Empfehlungen für die Konstruktion von mikrowellengestützten Glasschmelzaggregaten gegeben.