Techn. University, Diss., 2004--Darmstadt.

University, Diss., 2004--Kiel.

Universiẗat, Diss., 2005--Bonn.

Poröse Kohlenstoffmaterialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen und Porenvolumina, eine gute elektrische Leitfähigkeit sowie hohe mechanische und chemische Stabilität aus. Sie werden in Anwendungen wie der Gasspeicherung oder der elektrochemischen Energiespeicherung eingesetzt. Besondere Aufmerksamkeit erfährt momentan die Energiespeicherung, unter anderem durch die fortschreitende Verbreitung der Elektromobilität. Als besonders effizient haben sich elektrochemische Energiespeichermaterialien, zum Beispiel für Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) und Batterien, herausgestellt. Ein vielversprechendes Batteriesystem ist die Lithium-Schwefel-Batterie (LiS-Batterie). Mit diesem System können wesentlich höhere gravimetrische Energiedichten als mit Lithium-Ionen-Batterien erreicht werden. Poröser Kohlenstoff stellt aufgrund der hohen Porosität, der guten elektrischen Leitfähigkeit und der chemischen Beständigkeit ein ideales Elektrodenmaterial für die Anwendung sowohl in EDLCs als auch in LiS-Batterien dar. Bei den im industriellen Maßstab am häufigsten eingesetzten Aktivkohlen ist nachteilig, dass während der Synthese nur begrenzte Kontrolle über das Porensystem vorhanden ist. Zudem sind die Poren oft flaschenhalsartig, was zu einer schlechten Zugänglichkeit des Porensystems führt und dadurch den Stofftransport limitiert. Eine verbesserte Kontrolle über das Porennetzwerk bieten das Templatverfahren oder die Synthese von Kohlenstoffen aus Carbiden. Diese Methoden ermöglichen es zudem, Poren unterschiedlicher Größe, das heißt, ein hierarchisches Porensystem, einzubringen. Dies ist vorteilhaft für Prozesse, in denen sowohl eine hohe Adsorptionskapazität als auch ein schneller Stofftransport notwendig sind. Die meisten dieser Synthesen haben die Nachteile, dass sie komplex sind und viel Abfall produzieren. Eine vergleichbar neue Methode zur Herstellung von hierarchischen Kohlenstoffen ist die Synthese von Kroll-Kohlenstoffen über eine reduktive Carbochlorierung. Dieses Verfahren ist dem Schlüsselschritt des Kroll-Prozesses zur Herstellung von Titan nachempfunden. Dafür werden oxidische Nanopartikel mit Kohlenstoff beschichtet und durch Behandlung mit heißem Chlorgas in Kohlenstoff überführt. Diese Synthese ermöglicht neben der Kontrolle der Mesoporengröße über die Größe der Nanopartikel gleichzeitig die Einbringung von Mikroporen durch das Ätzen von Kohlenstoff während der Carbochlorierung, sodass in wenigen Syntheseschritten ein hierarchisches Porensystem generiert werden kann. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob sich der Ansatz der Carbochlorierung auf weitere Systeme übertragen lässt. Durch postsynthetische Aktivierung wurde die Porosität von Kroll-Kohlenstoff unter Erhalt der Porenstruktur gesteigert. So war es möglich, Kohlenstoffe mit spezifischen Oberflächen von mehr als 2700 m²/g und Porenvolumina von 3 cm³/g zu synthetisieren. Die Mesoporenstruktur konnte aufrechterhalten werden, während sowohl der Anteil von Meso- als auch Mikroporen erhöht werden konnte. Aktivierter Kroll-Kohlenstoff wurde in EDLCs als Elektrodenmaterial untersucht. Mit 1 M Schwefelsäure als Elektrolyt konnten spezifische Kapazitäten von 160 F/g über galvanostatische Lade-/Entlademessungen erreicht werden, wobei bei hohen Lade-/Entladeströmen von 10 A/g noch 87 % der Maximalkapazität abgerufen werden konnten. Weiterhin wurde der Frage nachgegangen, ob mittels Carbochlorierung geordnete mesoporöse Kohlenstoffe synthetisiert werden können. Dafür wurden sowohl Harttemplat- als auch Weichtemplatmethoden eingesetzt. Im Harttemplatverfahren war es möglich, geordneten mesoporösen Kohlenstoff DUT-118 zu synthetisieren.7 DUT-118 weist eine höhere spezifische Oberfläche und ein höheres Porenvolumen im Vergleich zu Kohlenstoff auf, der über das klassische „Nanocasting“ hergestellt wird. Durch die Carbochlorierung kann zudem der Mikroporenanteil des Materials im Vergleich zur klassischen Templatentfernung gesteigert werden, was durch Präadsorptionsexperimente mit n-Nonan nachgewiesen wurde. In einer weichtemplatgestützten Synthese konnte geordneter mesoporöser Kohlenstoff DUT-119 aus Oxid/Kohlenstoff-Kompositen mittels Carbochlorierung synthetisiert werden. DUT-119 verfügt über eine spezifische Oberfläche von über 2200 m²/g, ein Porenvolumen von mehr als 2 cm³/g und ein hierarchisches Porensystem. Aufgrund des hierarchischen Mikro-/Mesoporensystems ist DUT-119 hervorragend als Kathodenmatrix in LiS-Batterien geeignet. Besonders hervorzuheben ist die geringe Menge an eingesetztem Elektrolyt von nur 5 μL/mgSchwefel. Die gefertigte Zelle ist über 50 Zyklen stabil und verfügt über eine herausragende Flächenkapazität von 3,7 mAh/cm² nach 50 Zyklen. Verstärkt im Fokus der Forschung stehen Kohlenstoffe, welche mit Heteroatomen dotiert sind. Durch Dotierung können die Eigenschaften der Kohlenstoffe hinsichtlich Polarität oder elektrochemischer Eigenschaften optimiert werden.8,9 Deshalb wurde untersucht, ob über die Carbochlorierung stickstoffdotierter Kohlenstoff synthetisiert werden kann. Dafür wurde ein metallorganisches Netzwerk (MOF) zu Kroll-Kohlenstoff DUT-127 umgesetzt. In Abhängigkeit von der Synthesetemperatur von 600–900 °C konnten spezifische Oberflächen von 1450–2750 m²/g und Porenvolumina zwischen 0,8 und 2 cm³/g erreicht werden. Da das eingesetzte MOF Aminogruppen enthielt, sind in DUT-127 Stickstoffdotierungen vorhanden, was zu einer verringerten Hydrophobie führt. DUT-127 wurde als Elektrodenmaterial in EDLCs eingesetzt. Mit 1 M Schwefelsäure konnten spezifische Kapazitäten von 165 F/g, ermittelt über galvanostatische Lade-/Entlademessungen, erreicht werden. Besonders bei hohen Lade-/Entladeströmen von 12,5 A/g konnten über 90 % der maximalen Kapazität abgerufen werden. Weiterhin ist die hohe Arbeitsfrequenz von über 25 Hz hervorzuheben. Beides wird durch die gute Benetzbarkeit, das ausgeprägte Transportporensystem sowie die geringe Partikelgröße ermöglicht. Der große Vorteil der Synthese von Kroll-Kohlenstoffen über die Carbochlorierung ist der Verzicht auf Lösemittel während der Templatentfernung. Wünschenswert ist es, zukünftig ebenfalls die Synthese der Präkursoren und Template möglichst lösemittelfrei zu gestalten. Die Porenstruktur (Textur) eines porösen Materials bestimmt in großem Maße die Leistungsfähigkeit in einer bestimmten Anwendung. Deshalb wird der exakten Charakterisierung des Porensystems viel Aufmerksamkeit gewidmet. Neben Methoden wie der Gasadsorption sind bildgebende Verfahren ein wichtiges Hilfsmittel, um Informationen über Porengröße, -geometrie und -konnektivität zu erhalten. In einem ersten „Proof of Concept“ wurden die Porensysteme nanoporöser Materialien mit definierter Porenstruktur durch Röntgenmikroskopie untersucht. Dabei konnten Poren bis zu einer Größe von etwa 60 nm aufgelöst werden. Weiterhin war es möglich, aus den aufgenommenen Bilderserien Rekonstruktionen zu erstellen, wodurch Einblicke in das Innere des Partikels möglich wurden. Für die erfolgreiche Rekonstruktion einer Bilderserie ist es notwendig, dass diese optimal ausgerichtet ist. Aufgrund der hohen Uniformität der untersuchten Proben ist dies ein anspruchsvoller Prozess, der noch weiter optimiert werden muss. Dadurch könnten weitere Einblicke in die untersuchten Proben, beispielsweise durch eine quantitative Diskussion der Porosität, gewonnen werden.

Anhand von zwei repräsentativen Dauerversuchsflächen im Lösshügelland Sachsens wurde der wis-senschaftlich umstrittenen These nachgegangen, dass konservierende Bodenbearbeitungsverfahren mittel- und langfristig zu einer Erhöhung der Humusvorräte im Boden im Vergleich zur wendenden Bodenbearbeitung mit dem Pflug führen. Dabei wurden die Kohlenstoff- und Stickstoffvorräte in fünf masseäquivalenten Bodenschichten bis in eine Tiefe von ca. 60 cm über mehrere Vegetationsperioden erhoben. Zur Charakterisierung der Umsatzdynamik im Boden wurden zudem mehrere weitere Parame-ter analysiert (pH-Wert, Chwl, Cmik, DHA). Für den Standort Lüttewitz konnten signifikante Unterschiede zwischen den Bodenbearbeitungsvarian-ten festgestellt werden. Allerdings wurden auch erhebliche zeitliche und räumliche Schwankungen der Kohlenstoffvorräte ermittelt, welche hauptsächlich auf die Witterung und die Reliefheterogenitäten am Standort zurückzuführen sind. Neben weiteren Unsicherheiten aufgrund der Genauigkeit der zur Verfü-gung stehenden Untersuchungsmethoden waren diese Schwankungen mitunter größer als die ermittel-ten Unterschiede zwischen den Bodenbearbeitungsvarianten. Am Standort Methau konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen den Bodenbearbeitungsvari-anten ermittelt werden. Dies lag nicht zuletzt an den starken Heterogenitäten der Grobbodenanteile auf der Untersuchungsfläche, welche eine Ausweisung von flächenrepräsentativen Stoffvorräten extrem erschwert.Gleichwohl konnten die gleichen zeitlichen Trends der Humusdynamik wie am Standort Lüt-tewitz festgestellt und anhand einer Referenzfläche im Grünland bestätigt werden. Weiterhin wurden am Standort Lüttewitz in einer langjährig in Direktsaat bewirtschafteten Fläche mehre-re Kleinparzellen erstmals umgebrochen, um die Auswirkungen von in der landwirtschaftlichen Praxis üblichen periodischen Umbrüchen zu untersuchen. Dabei konnte die These einer raschen und nahezu vollständigen Remineralisierung der zuvor zusätzlich sequestrierten Kohlenstoffvorräte nicht bestätigt werden. Es kam jedoch zu einer Homogenisierung der Stoffvorräte in der Krume nebst einer Vermin-derung der Bodenbedeckung und Aggregierung, sodass mit einer erhöhten Erosionsanfälligkeit in den Kleinparzellen zu rechnen ist. Grundsätzlich kann für die Region Mittelsachsen von einem C-Sequestrierungspotential durch konser-vierende Bodenbearbeitungsverfahren ausgegangen werden, welches auch nach periodischen Umbrü-chen weitestgehend Bestand hat. Die Klimaprognosen für die Untersuchungsregion sprechen zudem für eine Erhöhung dieses Potentials auf der Basis höherer Wasserspeicherkapazitäten in Verbindung mit entsprechenden Ertragsdifferenzierungen. Die vorliegende Untersuchung bestätigte allerdings auch die bereits aus zahlreichen anderen Untersuchungen bekannten starken Schwankungen und Un-sicherheitsfaktoren, welche eine Quantifizierung dieses Potentials erheblich erschweren.

In dieser Arbeit wurde der Einfluss dünner Siliciumdioxidschichten auf die im Co(20 nm)/Ti(5 nm)/SiO$_{2}$(0...3 nm)/Si(100) System, bei einer Kurzzeittemperung, ablaufenden Festphasenreaktionen untersucht. Weiterhin wurden Festphasenreaktionen an Co/C/Si(100) und Ti/Co/C/Si(100) Schichtsystemen untersucht. Plasmaätzprozesse wurden zur Entfernung der, im Co/Ti/Si-System nach Temperung entstehenden, reaktionsbedingten Deckschicht verwendet. Die Charakterisierung der Proben erfolgte mittels elektrischer Messungen, TEM, STM, XRD, RBS und AES.

The main goal of this work is to search for new stable porous carbon-based materials, which have the ability to accommodate and store hydrogen gas. Theoretical and experimental studies suggest a close relation between the nano-scale structure of the material and its storage capacity. In order to design materials with a high storage capacity, a compromise between the size and the shape of the nanopores must be considered. Therefore, a number of different carbon-based materials have been investigated: carbon foams, dislocated graphite, graphite intercalated by C60 molecules, and metal-organic frameworks. The structures of interest include experimentally well-known as well as hypothetical systems. The studies were focused on the determination of important properties and special features, which may result in high storage capacities. Although the variety of possible pure carbon structures and metal-organic frameworks is almost infinite, the materials described in this work possess the main structural characteristics, which are important for gas storage.

Durch die Verbrennung von Biomasse werden Partikel freigesetzt, die u.a. schwarzen Kohlenstoff enthalten. Dieser ist wesentlich für die Absorption der solaren Strahlung in der Atmosphäre verantwortlich. Um den Effekt der emmitierten Partikel auf den Strahlungshaushalt quantifizieren zu können, ist die Kenntnis der physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Partikel nötig. Diese sind aber nur zum Teil bekannt. Dieser Bericht beschreibt eine Methode, die optischen Eigenschaften solcher Partikel unter Verwendung bestimmter Annahmen zu berechnen. Auÿerdem wird ein erster Vergleich zwischen berechneten Größen und Messungen aus Laborfeuern durchgeführt. / Biomass burning is an important source for particles containing black carbon, which is known as a strong light absorbing substance. To quantify the effect of such emitted particles on the radiation budget, the knowledge of their physical and chemical properties is necessary. Until now these properties are only partly known. In the following we describe a possibility of calculating the optical properties of such particles using certain simplifications. Also a first comparison between the calculated values and measurements from lab experiments is shown.

Climate change is one of the greatest threats recently, of which the developing countries are facing most of the brunt. In the fight against climate change, forests can play an important role, since they hold a substantial amount of terrestrial carbon and can therefore affect the global carbon cycle. Forests are also an essential source of livelihood for a remarkably high proportion of people worldwide and a harbor for rich global biodiversity. Forests are however facing high deforestation rates. Deforestation is regarded as the most widespread process of land cover change (LCC), which is the conversion of one land cover type to the other land cover type. Most of this deforestation occurs in developing countries. Agricultural expansion has been reported as the most significant widespread driver of deforestation in Asia, Africa, and Latin America. This deforestation is altering the balance of forest carbon stocks and threatening biodiversity. Pakistan is also a low forest cover country and faces high deforestation rates at the same time, due to the high reliance of local communities on forests. Moreover, it is also the most adversely affected by climate change. Agricultural expansion and population growth have been regarded as the most common drivers of deforestation in Pakistan. Financial incentives such as ‘Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation, and the Role of Conservation of Forest Carbon, Sustainable Management of Forests and Enhancement of Forest Carbon Stocks’ (REDD+) offer hope for developing countries for not only halting deforestation but also alleviating poverty. However, such initiatives require the estimation of biomass and carbon stocks of the forest ecosystems. Therefore, it becomes necessary that the biomass and carbon potentials of the forests are explored, as well as the LCCs are investigated for identifying the deforestation and forest degradation hit areas. Based on the aforementioned, the following research objectives/sub-objectives were investigated in the MHNP, which is adjoined with the capital city of Pakistan, Islamabad; A) Forest Biomass and Carbon Stock Assessment of Margalla Hills National Park (MHNP) A.1) Aboveground Biomass (AGB) and Aboveground Carbon (AGC) assessment of the Subtropical Chir Pine Forest (SCPF) and Subtropical Broadleaved Evergreen Forest (SBEF) using Field Inventorying Techniques A.2) Exploring linear regression relationship between Sentinel-1 (S1) and Sentinel-2 (S2) satellite data with the AGB of SCPF and SBEF A.3) AGB estimation combining remote sensing and machine learning approach B) LC Classification and Land Cover Change Detection (LCCD) of MHNP for the time-period between 1999 and 2019 B.1) LC Classification for the years 1999, 2009 and 2019 using Machine Learning Algorithm B.2) LCCD of MHNP between 1999 to 2019.

In order to shrink the size of semiconductor devices and improve their efficiency at the same time, silicon-based semiconductor devices have been engineered, until the material almost reaches its performance limits. As the candidate to be used next in semiconducting devices, single-wall carbon nanotubes show a great potential due to their promise of increased device efficiency and their high charge carrier mobilities in the nanometer size active areas. However, there are material based problems to overcome in order to imply SWNTs in the semiconductor devices. SWNTs tend to aggregate in bundles and it is not trivial to obtain an electronically or chirally homogeneous SWNT dispersion and when it is done, a homogeneous thin film needs to be produced with a technique that is practical, easy and scalable. This work was aimed to solve both of these problems. In the first part of this study, six different polymers, containing fluorene or carbazole as the rigid part and bipyridine, bithiophene or biphenyl as the accompanying copolymer unit, were used to selectively disperse semiconducting SWNTs. With the data obtained from absorption and photoluminescence spectroscopy of the corresponding dispersions, it was found out that the rigid part of the copolymer plays a primary role in determining its dispersion efficiency and electronic sorting ability. Within the two tested units, carbazole has a higher π electron density. Due to increased π−π interactions, carbazole containing copolymers have higher dispersion efficiency. However, the electronic sorting ability of fluorene containing polymers is superior. Chiral selection of the polymers in the dispersion is not directly foreseeable from the selection of backbone units. At the end, obtaining a monochiral dispersion is found to be highly dependent on the used raw material in combination to the preferred polymer. Next, one of the best performing polymers due to high chirality enrichment and electronic sorting ability was chosen in order to disperse SWNTs. Thin films of varying thickness between 18 ± 5 to 755o±o5 nm were prepared using vacuum filtration wet transfer method in order to analyze them optically and electronically. The scalability and efficiency of the integrated thin film production method were shown using optical, topographical and electronic measurements. The relative photoluminescence quantum yield of the radiative decay from the SWNT thin films was found to be constant for the thickness scale. Constant roughness on the film surface and linearly increasing concentration of SWNTs were also supporting the scalability of this thin film production method. Electronic measurements on bottom gate top contact transistors have shown an increasing charge carrier mobility for linear and saturation regimes. This was caused by the missing normalization of the mobility for the thickness of the active layer. This emphasizes the importance of considering this dimension for comparison of different field effect transistor mobilities. / Um die Verkleinerung in Halbleiterbauelementen zu erreichen und gleichzeitig ihre Effizienz zu verbessern, wurden Halbleiterbauelemente auf Siliziumbasis entwickelt, bis das Material seine Leistungsgrenzen nahezu erreicht hat. Als zukünftiger Kandidat, der in halbleitenden Geräten Verwendung finden wird, zeigen einwandige Kohlenstoff−Nanoröhren ein großes Potenzial für eine erhöhte Geräteeffizienz. Grund dafür sind ihre hohen Ladungsträger−Mobilitäten in den ein paar Nanometergroßen aktiven Flächen. Allerdings gibt es materialbasierte Probleme zu überwinden um SWNTs in den Halbleiterbauelementen zu implizieren. SWNTs neigen dazu in Bündeln zu aggregieren. Eine Herausforderung ist zudem eine elektronische oder chiral homogene Kohlenstoffnanorohr−Dispersion zu erhalten. Ein weiteres Problem ist, aus diesen Kohlenstoffnanorohr−Dispersion einen homogenen Dünn−Film mit einer Technik herzustellen die praktisch, einfach und skalierbar ist. Diese Arbeit zielte darauf ab, diese beiden Probleme zu lösen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden sechs verschiedene Polymere, die Fluoren oder Carbazol als starren Teil und Bipyridin, Bithiophen oder Biphenyl als begleitende Copolymereinheit enthielten, verwendet um selektiv halbleitende SWNTs zu dispergieren. Mit den aus der Absorptions− und Photolumineszenzspektroskopie erhaltenen Daten der entsprechenden Dispersionen wurde herausgefunden, dass der starre Teil des Copolymers eine primäre Rolle bei der Bestimmung seiner Dispersionseffizienz und der elektronischen Sortierfähigkeit spielt. Innerhalb der beiden getesteten Einheiten hat Carbazol eine höhere π−Elektronendichte. Aufgrund erhöhter π−π Wechselwirkungen haben Carbazol−haltige Copolymere eine höhere Dispersionseffizienz. Die elektronische Selektivität von fluorenhaltigen Polymeren ist gegenüber Carbazol enthaltenden Polymeren höher. Die chirale Selektivität der Polymere in der Dispersion ist nicht direkt vor der Auswahl der Grundgerüsteinheiten vorhersehbar. Am Ende wird das Erhalten einer monochiralen Dispersion im hohen Maße von den verwendeten Rohmaterialien in Kombination mit dem bevorzugten Polymer abhängig gemacht. Im nächsten Schritt wurde ein Polymer ausgewählt der durch eine hohe Chiralitätanreicherung besticht und zudem eine gute elektronische Sortierfähigkeit besitzt, um SWNTs zu dispergieren. Dünnfilme unterschiedlicher Dicke, zwischen 18 ± 5 bis 755 ± 5 nm, wurden unter der Verwendung eines Vakuumfiltrations−Nassübertragungsverfahrens hergestellt um sie daraufhin optisch und elektronisch zu analysieren. Die Skalierbarkeit und Effizienz des integrierten Dünnschichtherstellungsverfahrens wurde anhand optischer, topographischer und elektronischer Messungen gezeigt. Die relative Photolumineszenzquantenausbeute des Strahlungsabfalls aus den SWNT−Dünnfilmen wurde für den Dickenmaßstab konstant gehalten. Eine konstante Rauigkeit auf der Filmoberfläche und eine linear zunehmende Konzentration von SWNTs unterstützten auch die Skalierbarkeit dieses Dünnfilmherstellungsverfahrens. Elektronische Messungen am „bottom gate – top contact Transistoren“ zeigten eine zunehmende Ladungsträgermobilität für Linear− und Sättigungsregionen. Dies wurde durch die fehlende Normalisierung der Ladungsträgermobilität für die Dicke der aktiven Schicht verursacht. Betrachtet man die Wichtigkeit, diese Dimension für den Vergleich verschiedener Feldeffekttransistor− Mobilitäten zu betrachten, so deutet diese Feststellung auch darauf hin, dass es eine Skalierung in der Dicke in Bezug auf die berechneten Mobilitäten für die Feldeffekttransistoren gibt.