Within the different available electrochemical energy storage systems, supercapacitors stand out due to their high power densities and ultra-long cycle life. Their key-components are the electrode materials where the charge accumulation takes place and therefore many different approaches for the synthesis of carbonaceous electrode structures with well-defined pore systems are available. This review focuses on different strategies for tailoring porous carbon materials from the micropore level, over mesopores to macropores and even external or inter-particular porosity. A wide range of materials such as activated carbons, templated carbons, carbide-derived carbons, carbon nanotubes, carbon aerogels, carbon onions, graphenes and carbon nanofibers are presented, always in relation to their pore structure and potential use in supercapacitor devices.

The aim of this work was the generation of carbon materials with high surface area, exhibiting a hierarchical pore system in the macro- and mesorange. Such a pore system facilitates the transport through the material and enhances the interaction with the carbon matrix (macropores are pores with diameters > 50 nm, mesopores between 2 – 50 nm). Thereto, new strategies for the synthesis of novel carbon materials with designed porosity were developed that are in particular useful for the storage of energy. Besides the porosity, it is the graphene structure itself that determines the properties of a carbon material. Non-graphitic carbon materials usually exhibit a quite large degree of disorder with many defects in the graphene structure, and thus exhibit inherent microporosity (d < 2nm). These pores are traps and oppose reversible interaction with the carbon matrix. Furthermore they reduce the stability and conductivity of the carbon material, which was undesired for the proposed applications. As one part of this work, the graphene structures of different non-graphitic carbon materials were studied in detail using a novel wide-angle x-ray scattering model that allowed precise information about the nature of the carbon building units (graphene stacks). Different carbon precursors were evaluated regarding their potential use for the synthesis shown in this work, whereas mesophase pitch proved to be advantageous when a less disordered carbon microstructure is desired. By using mesophase pitch as carbon precursor, two templating strategies were developed using the nanocasting approach. The synthesized (monolithic) materials combined for the first time the advantages of a hierarchical interconnected pore system in the macro- and mesorange with the advantages of mesophase pitch as carbon precursor. In the first case, hierarchical macro- / mesoporous carbon monoliths were synthesized by replication of hard (silica) templates. Thus, a suitable synthesis procedure was developed that allowed the infiltration of the template with the hardly soluble carbon precursor. In the second case, hierarchical macro- / mesoporous carbon materials were synthesized by a novel soft-templating technique, taking advantage of the phase separation (spinodal decomposition) between mesophase pitch and polystyrene. The synthesis also allowed the generation of monolithic samples and incorporation of functional nanoparticles into the material. The synthesized materials showed excellent properties as an anode material in lithium batteries and support material for supercapacitors. / Kohlenstoffmaterialien finden aufgrund ihrer Vielseitigkeit heute in den unterschiedlichsten Bereichen des täglichen Lebens ihren Einsatz. Bekannte Beispiele sind Kohlenstofffasern in Verbundwerkstoffen, Graphit als trockenes Schmiermittel, oder Aktivkohlen in Filtersystemen. Ferner wird Graphit als Elektrodenmaterial auch in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Wegen knapper werdender Ressourcen von Öl und Gas wurde in den letzten Jahren verstärkt an der Entwicklung neuer Materialien für die Speicherung von Wasserstoff und elektrischer Energie gearbeitet. Die Nanotechnologie ist dabei auch für neue Kohlenstoffmaterialien zukunftsweisend, denn sie stellt weitere Anwendungsmöglichkeiten in Aussicht. In dieser Arbeit wurden hierzu mittels des sogenannten Nanocastings neue Kohlenstoffmaterialien für Energieanwendungen, insbesondere zur Speicherung von elektrischer Energie entwickelt. Die Eigenschaften eines Kohlenstoffmaterials beruhen im Wesentlichen auf der Struktur des Kohlenstoffs im molekularen Bereich. Die in dieser Arbeit hergestellten Materialen bestehen aus nichtgraphitischem Kohlenstoff und wurden im ersten Teil der Arbeit mit den Methoden der Röntgenstreuung genau untersucht. Eine speziell für diese Art von Kohlenstoffen kürzlich entwickelte Modellfunktion wurde dazu an die experimentellen Streubilder angepasst. Das verwendete Modell basiert dabei auf den wesentlichen Strukturmerkmalen von nichtgraphitischem Kohlenstoff und ermöglichte von daher eine detaillierte Beschreibung der Materialien. Im Gegensatz zu den meisten nichtgraphitischen Kohlenstoffen konnte gezeigt werden, dass die Verwendung von Mesophasen-Pech als Vorläufersubstanz (Precursor) ein Material mit vergleichsweise geringem Grad an Unordnung ermöglicht. Solch ein Material erlaubt eine ähnlich reversible Einlagerung von Lithium-Ionen wie Graphit, weist aber gleichzeitig wegen des nichtgraphitischen Charakters eine deutlich höhere Speicherfähigkeit auf. Zur Beschreibung der Porosität eines Materials verwendet man die Begriffe der Makro-, Meso-, und Mikroporen. Die Aktivität eines Materials kann durch die Erhöhung der Oberfläche noch erheblich gesteigert werden. Hohe Oberflächen können insbesondere durch die Schaffung von Poren im Nanometerbereich erzielt werden. Um die Zugänglichkeit zu diesen Poren zu steigern, weist ein Material idealerweise zusätzlich ein kontinuierliches makroporöses Transportsystem (Porendurchmesser d > 50 nm) auf. Solch eine Art von Porosität über mehrere Größenordnungen wird allgemein als „hierarchische Porosität“ bezeichnet. Für elektrochemische Anwendungen sind sogenannte Mesoporen (d = 2 – 50 nm) relevant, da noch kleinere Poren (Mikroporen, d < 2 nm) z.B. zu einer irreversiblen Bindung von Lithium- Ionen führen können. Wird Mesophasen-Pech als Kohlenstoffprekursor verwendet, kann die Entstehung dieser Mikroporen verhindert werden. Im zweiten und dritten Teil der Arbeit konnte mit den Methoden des „Nanocastings“ zum ersten Mal die spezielle Struktur des Mesophasen-Pech basierenden Kohlenstoffmaterials mit den Vorteilen einer hierarchischen (makro- / meso-) Porosität kombiniert werden. Im ersten Syntheseverfahren wurde dazu ein sogenanntes „hartes Templat“ mit entsprechender Porosität aus Siliziumdioxid repliziert. Aufgrund der hohen Viskosität des Pechs und der geringen Löslichkeit wurde dazu ein Verfahren entwickelt, das die Infiltration des Templates auch auf der Nanometerebene ermöglicht. Das Material konnte in Form größerer Körper (Monolithen) hergestellt werden, die im Vergleich zu Pulvern eine bessere technische Verwendung ermöglichen. Im zweiten Syntheseverfahren konnte die Herstellung eines hierarchisch makro- / mesoporösen Kohlenstoffmaterials erstmals mittels eines weichen Templates (organisches Polymer) erreicht werden. Die einfache Entfernung von weichen Templaten durch eine geeignete Temperaturbehandlung, macht dieses Verfahren im Vergleich zu hart templatierten Materialien kostengünstiger und stellt eine technische Umsetzung in Aussicht. Desweiteren erlaubt das Syntheseverfahren die Herstellung von monolithischen Körpern und die Einbindung funktionaler Nanopartikel. Die hergestellten Materialien zeigen exzellente Eigenschaften als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien und als Trägermaterial für Superkondensatoren.

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.

Using an optimized KOH activation procedure we prepared highly porous graphene scaffoldmaterials with SSA values up to 3400m² g⁻¹ and a pore volume up to 2.2 cm³ gˉ¹, which are among the highest for carbon materials. Hydrogen uptake of activated graphene samples was evaluated in a broad temperature interval (77–296 K). After additional activation by hydrogen annealing the maximal excess H2 uptake of 7.5 wt% was obtained at 77 K. A hydrogen storage value as high as 4 wt% was observed already at 193 K (120 bar H₂), a temperature of solid CO₂, which can be easily maintained using common industrial refrigeration methods.

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.

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.

Im Fokus dieser Arbeit standen zwei Ziele. Zum einem war es Forschungsgegenstand, dass Konzept der Zwillingspolymerisation auf germaniumhaltige, molekulare Vorstufen wie zum Beispiel Germylene, spirozyklische Germaniumverbindungen und molekulare Germanate zu erweitern und somit organisch-anorganische Komposite beziehungsweise Hybridmaterialien darzustellen. Dazu wurden neuartige Germaniumalkoxide auf der Basis von Benzylalkoholaten, Salicylalkoholaten sowie Benzylthiolaten synthetisiert, charakterisiert und auf ihre Fähigkeit Komposite beziehungsweise Hybridmaterialien über den Prozess der Zwillingspolymerisation zu erhalten studiert. Ein zweites Ziel dieser Arbeit war es, Beziehungen zwischen der Struktur und der Reaktivität dieser molekularen Vorstufen sowie deren Einfluss auf die Eigenschaften der erhaltenen Polymerisationsprodukte zu identifizieren und systematisch zu untersuchen. Hierfür wurden zum einen verschiedene Substituenten, welche unterschiedliche elektronische sowie sterische Eigenschaften aufweisen, an den aromatischen Einheiten der molekularen Vorstufen eingeführt. Die Effekte der Substituenten auf den Prozess der Zwillingspolymerisation und auf die Eigenschaften der Komposite beziehungsweise Hybridmaterialien wurden für die Verbindungsklasse der Germanium(II)salicylalkoholate, der molekularen Germanate sowie der spiro-zyklischen Siliziumsalicylalkoholate untersucht. Spirozyklische Siliziumsalicylalkoholate, wie zum Beispiel 4H,4’H-2,2‘-Spirobi[benzo[d][1,3,2]dioxasilin], wurden im Rahmen dieser Arbeit mit einbezogen, da sie aufgrund ihres nahezu idealen Zwillingspolymerisationsprozesses geeignete Modelverbindungen für Reaktivitätsstudien darstellen. Zudem wurde der Einfluss der Substituenten auf die Charakteristika der aus den Kompositen beziehungsweise Hybridmaterialien erhaltenen Folgeprodukte (poröse Kohlenstoffmaterialien und oxydische Materialien) studiert. Des Weiteren wurde eine Serie von spirozyklischen Germaniumthiolaten, welche isostrukturell zu 4H,4’H-2,2‘-Spirobi[benzo[d][1,3,2]dioxasilin] sind, synthetisiert, um systematisch den Einfluss der Chalkogenide, Sauerstoff und Schwefel, in benzylständiger sowie phenylständiger Position auf deren Reaktionsvermögen im Polymerisationsprozess zu untersuchen. Die experimentellen Ergebnisse zu den Struktur-Reaktivitätsbeziehungsstudien wurden, soweit es jeweils durchführbar war, mittels quantenchemische Rechnungen validiert und die daraus gezogenen Schlüsse in die Diskussion zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse mit einbezogen.

Im Fokus dieser Arbeit standen zwei Ziele. Zum einem war es Forschungsgegenstand, dass Konzept der Zwillingspolymerisation auf germaniumhaltige, molekulare Vorstufen wie zum Beispiel Germylene, spirozyklische Germaniumverbindungen und molekulare Germanate zu erweitern und somit organisch-anorganische Komposite beziehungsweise Hybridmaterialien darzustellen. Dazu wurden neuartige Germaniumalkoxide auf der Basis von Benzylalkoholaten, Salicylalkoholaten sowie Benzylthiolaten synthetisiert, charakterisiert und auf ihre Fähigkeit Komposite beziehungsweise Hybridmaterialien über den Prozess der Zwillingspolymerisation zu erhalten studiert. Ein zweites Ziel dieser Arbeit war es, Beziehungen zwischen der Struktur und der Reaktivität dieser molekularen Vorstufen sowie deren Einfluss auf die Eigenschaften der erhaltenen Polymerisationsprodukte zu identifizieren und systematisch zu untersuchen. Hierfür wurden zum einen verschiedene Substituenten, welche unterschiedliche elektronische sowie sterische Eigenschaften aufweisen, an den aromatischen Einheiten der molekularen Vorstufen eingeführt. Die Effekte der Substituenten auf den Prozess der Zwillingspolymerisation und auf die Eigenschaften der Komposite beziehungsweise Hybridmaterialien wurden für die Verbindungsklasse der Germanium(II)salicylalkoholate, der molekularen Germanate sowie der spiro-zyklischen Siliziumsalicylalkoholate untersucht. Spirozyklische Siliziumsalicylalkoholate, wie zum Beispiel 4H,4’H-2,2‘-Spirobi[benzo[d][1,3,2]dioxasilin], wurden im Rahmen dieser Arbeit mit einbezogen, da sie aufgrund ihres nahezu idealen Zwillingspolymerisationsprozesses geeignete Modelverbindungen für Reaktivitätsstudien darstellen. Zudem wurde der Einfluss der Substituenten auf die Charakteristika der aus den Kompositen beziehungsweise Hybridmaterialien erhaltenen Folgeprodukte (poröse Kohlenstoffmaterialien und oxydische Materialien) studiert. Des Weiteren wurde eine Serie von spirozyklischen Germaniumthiolaten, welche isostrukturell zu 4H,4’H-2,2‘-Spirobi[benzo[d][1,3,2]dioxasilin] sind, synthetisiert, um systematisch den Einfluss der Chalkogenide, Sauerstoff und Schwefel, in benzylständiger sowie phenylständiger Position auf deren Reaktionsvermögen im Polymerisationsprozess zu untersuchen. Die experimentellen Ergebnisse zu den Struktur-Reaktivitätsbeziehungsstudien wurden, soweit es jeweils durchführbar war, mittels quantenchemische Rechnungen validiert und die daraus gezogenen Schlüsse in die Diskussion zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse mit einbezogen.:Contents List of Abbreviations S. 11 1 Introduction S.14 2 Germanium alkoxides and germanium thiolates S. 18 2.1 Preamble S. 18 2.2 Germanium alkoxides S. 18 2.2.1 Germanium(II) alkoxides S. 20 2.2.2 Germanium(IV) alkoxides S. 23 2.2.3 Alkoxidogermanates S. 29 2.3 Germanium thiolates S. 31 2.3.1 Germanium(II) thiolates S. 33 2.3.2 Germanium(IV) thiolates S. 34 2.3.3 Thiolatogermanates and cationic germanium thiolato transition metal complexes S. 36 2.4 Germanium alkoxido thiolates S. 38 2.5 Concluding remarks S. 40 3 Individual Contributions S. 43 4 Microporous Carbon and Mesoporous Silica by Use of Twin Polymerization: An integrated Experimental and Theoretical Approach on Precursor Reactivity S. 46 4.1 Abstract S. 46 4.2 Introduction S.46 4.3 Results and Discussion S. 48 4.3.1 Synthesis and Characterization S. 48 4.3.2 Thermally induced twin polymerization of monosubstituted Precursors (para position) S.49 4.3.2.1 Studies on reactivity according to thermally induced twin polymerization S. 50 4.3.2.2 Characterization of the hybrid materials as obtained by thermally induced twin polymerization S. 51 4.3.2.3 Thermally induced twin polymerization of di-substituted precursors (ortho and para position) S. 52 4.3.2.4 Conclusions drawn for the thermally induced twin polymerization S. 54 4.3.3 Proton-assisted twin polymerization S. 54 4.3.3.1 Studies on the reactivity according to proton-assisted twin polymerization S.55 4.3.3.2 Characterization of the hybrid materials as obtained by proton-assisted twin polymerization S.56 4.3.3.3 Computational studies on proton-assisted twin polymerization S. 58 4.3.3.4 Conclusions drawn for the process of proton-assisted twin polymerization S. 60 4.3.4 Characterization of the porous materials S.61 4.4 Conclusions S.64 4.5 Experimental Section S. 65 4.5.1 General S.65 4.5.2 General procedure for the synthesis of phenolic resin-silica hybrid materials by thermally induced twin polymerization in melt - exemplified for compound 1 S. 66 4.5.3 General procedure for the synthesis of phenolic resin-silica hybrid materials by proton-assisted twin polymerization in solution - exemplified for compound 1 S. 66 4.5.4 General procedure for the synthesis of microporous carbon - exemplified for hybrid material HM-1T S. 66 4.5.5 General procedure for the synthesis of mesoporous silica - exemplified for hybrid material HM-1T S. 67 4.5.6 Single-Crystal X-ray Diffraction Analyses S. 67 4.5.7 Computational Details S. 67 4.6 Acknowledgments S. 68 4.7 Keywords S.68 4.8 Supporting Information Chapter 4 S. 69 5 Synthesis of germanium dioxide nanoparticles in benzyl alcohols – a comparison S. 82 5.1 Abstract S. 82 5.2 Introduction S. 82 5.3 Results and Discussion S.83 5.4 Conclusions S. 87 5.5 Experimental Section S. 87 5.5.1 General S. 87 5.5.2 Syntheses S. 88 5.5.3 Synthesis of GeO2 in ortho-methoxy benzyl alcohol – sample A S. 88 5.5.4 Synthesis of GeO2 in benzyl alcohol under inert conditions – sample B S. 89 5.5.5 Synthesis of GeO2 in benzyl alcohol under ambient conditions – sample C S. 89 5.6 Acknowledgments S. 89 5.7 Keywords S.89 5.8 Supporting Information Chapter 5 S. 90 6 From a Germylene to an “Inorganic Adamantane”: [{Ge₄(μ-O)₂(μ-OH)₄}{W(CO)₅}₄]∙4THF S. 93 6.1 Abstract S.93 6.2 Introduction S. 93 6.3 Results and Discussion S. 94 6.4 Conclusions S. 98 6.5 Experimental Section S. 99 6.5.1 General S.99 6.5.2 Synthesis of germanium(II) (2-methoxyphenyl)methoxide (9) S. 99 6.5.3 Synthesis of [{Ge4(μ-O)2(μ-OH)4}{W(CO)5}4]·4THF (10·4THF) S. 100 6.5.4 Single-Crystal X-ray Diffraction Analyses S. 100 6.5.4.1 Crystal Data for (9)2 S. 101 6.5.4.2 Crystal Data for 10·4THF S. 101 6.5.5 Computational Details S. 101 6.6 Acknowledgments S. 101 6.7 Keywords S.101 6.8 Supporting Information Chapter 6 S. 102 7 Synthesis, characterization and Twin Polymerization of a novel dioxagermine S. 110 7.1 Abstract S. 110 7.2 Introduction S.110 7.3 Results and Discussion S. 111 7.3.1 Single-crystal X-ray diffraction analysis S. 111 7.3.2 IR spectroscopy S. 112 7.3.3 Mass spectrum S. 114 7.3.4 DSC/TGA analysis S. 116 7.3.5 Polymerization S. 117 7.4 Conclusions S. 118 7.5 Materials and Methods S.118 7.5.1 General S. 118 7.5.2 Synthesis of 5-bromo-2-hydroxybenzyl alcohol S. 119 7.5.3 Synthesis of di-tert-butyl-di-ethoxy germane S.119 7.5.4 Synthesis of 6-bromo-2,2-di-tert-butyl-4H-1,3,2-benzo[d]dioxagermine (11) S. 120 7.5.5 Polymerization of compound 11 S. 120 7.5.6 X-ray diffraction analysis of compound 11 S.120 7.5.6.1 Crystal data for compound 11 S.120 7.5.7 Computational Details S.121 7.6 Acknowledgments S.121 7.7 Keywords S. 121 7.8 Supporting Information Chapter 7 S. 122 8 Intramolecular C-O Insertion of a Germanium(II) Salicyl Alcoholate: A Combined Experimental and Theoretical Study S. 125 8.1 Abstract S.125 8.2 Introduction S. 125 8.3 Results and Discussion S.126 8.3.1 Syntheses and Characterization S. 126 8.3.2 1H NMR Spectroscopic Studies S.132 8.3.3 DFT-D Calculations S.134 8.4 Conclusions S. 137 8.5 Experimental Section S. 138 8.5.1 General S. 138 8.5.2 Synthesis of germanium(II) 2-tert-butyl-4-methyl-6-(oxidomethyl)phenolate (12) S. 139 8.5.3 Synthesis of 2,4,6,8-tetrakis(3-tert-butyl-5-methyl-2-oxidophenyl)methanide-1,3,5,7,2,4,6,8-tetraoxidogermocane (13) S. 139 8.5.3.1 Method a) S.139 8.5.3.2 Method b) S. 140 8.5.4 Synthesis of 7,8'-di-tert-butyl-5,6'-dimethyl-3H,4'H-spiro[benzo[d][1,2]oxager-mole-2,2'-benzo[d][1,3,2]dioxagermine] (14) S. 140 8.5.4.1 Method a) S. 140 8.5.4.2 Method b) S. 141 8.5.4.3 Method c) S. 141 8.5.5 Synthesis of the [4-(dimethylamino)pyridine][germanium(II)-2-tert-butyl-4-meth-yl-6-(oxidomethyl)phenolate] (15) S. 141 8.5.6 1H NMR spectroscopic study i) S. 142 8.5.7 1H NMR spectroscopic study ii) S. 142 8.5.7.1 Method a) S. 142 8.5.7.2 Method b) S. 142 8.5.8 1H NMR spectroscopic study iii) S. 142 8.5.8.1 Method a) S. 142 8.5.8.2 Method b) S. 142 8.5.9 1H NMR spectroscopic study iv) S. 143 8.5.10 1H NMR spectroscopic study of the mixture of complex 15 and 3-tert-butyl-2-hydroxy-5-methylbenzyl alcohol in CDCl3 S. 143 8.5.11 1H NMR spectroscopic study of complex 15 in CDCl3 at elevated temperature S. 143 8.5.12 Reaction of complex 15 at elevated temperature S. 143 8.5.13 Single-crystal X-ray diffraction analyses S. 143 8.5.14 Computational Details S.144 8.6 Acknowledgments S. 145 8.7 Keywords S.145 8.8 Supporting Information Chapter 8 S. 146 9 Porous Ge@C materials via twin polymerization of germanium(II) salicyl alcoholates for Li-ion batteries S. 159 9.1 Abstract S. 159 9.2 Introduction S. 159 9.3 Results and Discussion S. 160 9.3.1 Synthesis and Characterization of germylenes S. 160 9.3.2 Twin polymerization S. 164 9.3.2.1 Studies on the reactivity S. 164 9.3.2.2 Characterization of the hybrid materials obtained by thermally induced twin polymerization S. 166 9.3.3 Synthesis and characterization of porous materials S. 168 9.3.4 Electrochemical measurements S. 170 9.4 Conclusions S. 172 9.5 Experimental Section S.172 9.5.1 General S.172 9.5.2 Synthesis of germanium(II) 2-(oxidomethyl)phenolate (16) S. 174 9.5.3 Synthesis of germanium(II) 4-methyl-2-(oxidomethyl)phenolate (17) S. 174 9.5.4 Synthesis of germanium(II) 4-bromo-2-(oxidomethyl)phenolate (18) S. 175 9.5.5 General procedure for the synthesis of phenolic resin-germanium oxide hybrid materials by thermally induced twin polymerization in melt - exemplified for compound 16 S. 175 9.5.6 General procedure for the synthesis of porous Ge@C materials - exemplified for hybrid material HM-16 S.175 9.5.7 General procedure for the synthesis of germanium oxide - exemplified for hybrid material HM-16 S.176 9.5.8 Single-crystal X-ray diffraction analyses S. 176 9.5.9 Computational Details S. 177 9.5.10 Electrode fabrication, cell assembly and electrochemical measurements S. 178 9.6 Acknowledgments S.178 9.7 Keywords S. 178 9.8 Supporting Information Chapter 9 S.179 10 From molecular germanates to microporous Ge@C via twin polymerization S.199 10.1 Abstract S.199 10.2 Introduction 199 10.3 Results and Discussion S. 201 10.3.1 Syntheses and Characterization S. 201 10.3.2 Twin polymerization of germanate 19 S. 204 10.3.3 Synthesis and characterization of the porous materials S. 205 10.3.4 Electrochemical measurements S.206 10.4 Conclusions S. 207 10.5 Experimental Section S. 208 10.5.1 General S. 208 10.5.2 Synthesis of bis(dimethylammonium) tris[2-(oxidomethyl)phenolate(2-)]germa-nate (19) S. 209 10.5.3 Synthesis of bis(dimethylammonium) tris[4-methyl-2-(oxidomethyl)pheno-late(2-)]germanate (20) S. 210 10.5.4 Synthesis of bis(dimethylammonium) tris[4-bromo-2-(oxidomethyl)pheno-late(2-)]germanate (21) S.210 10.5.5 Synthesis of dimethylammonium bis[2-tert-butyl-4-methyl-6-(oxidomethyl)phe-nolate(2-)][2-tert-butyl-4-methyl-6-(hydroxymethyl)phenolate(1-)]germanate (22) S. 211 10.5.6 Synthesis of phenolic resin-germanium dioxide hybrid materials by thermally induced twin polymerization in melt - HM-19 S. 211 10.5.7 Synthesis of porous Ge@C material C-19 starting from HM-19 S. 212 10.5.8 Synthesis of germanium dioxide material Ox-19 - starting from HM-19 S.212 10.5.9 Single-crystal X-ray diffraction analyses S. 212 10.5.10 Electrode fabrication, cell assembly and electrochemical measurements S.213 10.6 Acknowledgments S. 214 10.7 Keywords S. 214 10.8 Supporting Information Chapter 10 S.215 11 Chiral Spirocyclic Germanium Thiolates – An Evaluation of Their Suitability for Twin Polymerization based on A Combined Experimental and Theoretical Study S.226 11.1 Abstract S.226 11.2 Introduction S. 226 11.3 Results and Discussion S.227 11.3.1 Syntheses and Characterization S. 227 11.3.2 Studies on twin polymerization S.229 11.3.3 Computational studies on proton-assisted twin polymerization S. 232 11.4 Conclusions S. 235 11.5 Acknowledgments S. 236 11.6 Keywords S.236 11.7 Supporting Information Chapter 11 S.237 12 Concluding remarks S. 257 12.1 Discussion S.257 12.1.1 Twin polymerization of germanium-containing precursors S. 257 12.1.2 Reactivity studies of precursors towards their twin polymerization S.260 12.2 Summary and Outlook S. 264 Selbständigkeitserklärung S.266 Curriculum Vitae S.267 Publications S. 268 List of Publications in Peer-Reviewed Journals S. 268 List of Conference Contributions S.269 Research proposals, additional conference and summer school participations S. 270 Acknowledgments S. 271 References S. 272