Metalle werden oft während ihrer Anwendung korrosiven Bedingungen ausgesetzt, was ihre Alterungsbeständigkeit reduziert. Deswegen werden korrosionsanfällige Metalle, wie Aluminiumlegierungen mit Schutzbeschichtungen versehen, um den Korrosionsprozess aktiv oder passiv zu verhindern. Die klassischen Schutzbeschichtungen funktionieren als physikalische Barriere zwischen Metall und korrosiver Umgebung und bieten einen passiven Korrosionsschutz nur, wenn sie unbeschädigt sind. Im Gegensatz dazu kann die Korrosion auch im Fall einer Beschädigung mittels aktiver Schutzbeschichtungen gehemmt werden. Chromathaltige Beschichtungen bieten heutzutage den besten aktiven Korrosionsschutz für Aluminiumlegierungen. Aufgrund ihrer Giftigkeit wurden diese weltweit verboten und müssen durch neue umweltfreundliche Schutzbeschichtungen ersetzt werden. Ein potentieller Ersatz sind Schutzbeschichtungen mit integrierten Nano- und Mikrobehältern, die mit ungiftigem Inhibitor gefüllt sind. In dieser Arbeit werden die Entwicklung und Optimierung solcher aktiver Schutzbeschichtungen für die industriell wichtige Aluminiumlegierung AA2024-T3 dargestellt Mesoporöse Silika-Behälter wurden mit dem ungiftigen Inhibitor (2-Mercaptobenzothiazol) beladen und dann in die Matrix anorganischer (SiOx/ZrOx) oder organischer (wasserbasiert) Schichten dispergiert. Zwei Sorten von Silika-Behältern mit unterschiedlichen Größen (d ≈ 80 and 700 nm) wurden verwendet. Diese haben eine große spezifische Oberfläche (≈ 1000 m² g-1), eine enge Porengrößenverteilung mit mittlerer Porenweite ≈ 3 nm und ein großes Porenvolumen (≈ 1 mL g-1). Dank dieser Eigenschaften können große Inhibitormengen im Behälterinneren adsorbiert und gehalten werden. Die Inhibitormoleküle werden bei korrosionsbedingter Erhöhung des pH-Wertes gelöst und freigegeben. Die Konzentration, Position und Größe der integrierten Behälter wurden variiert um die besten Bedingungen für einen optimalen Korrosionsschutz zu bestimmen. Es wurde festgestellt, dass eine gute Korrosionsschutzleistung durch einen Kompromiss zwischen ausreichender Inhibitormenge und guten Barriereeigenschaften hervorgerufen wird. Diese Studie erweitert das Wissen über die wichtigsten Faktoren, die den Korrosionsschutz beeinflussen. Somit wurde die Entwicklung effizienter, aktiver Schutzbeschichtungen ermöglicht, die auf mit Inhibitor beladenen Behältern basieren. / Metals are often used in environments that are conducive to corrosion, which leads to a reduction in their mechanical properties and durability. Coatings are applied to corrosion-prone metals such as aluminum alloys to inhibit the destructive surface process of corrosion in a passive or active way. Standard anticorrosive coatings function as a physical barrier between the material and the corrosive environment and provide passive protection only when intact. In contrast, active protection prevents or slows down corrosion even when the main barrier is damaged. The most effective industrially used active corrosion inhibition for aluminum alloys is provided by chromate conversion coatings. However, their toxicity and worldwide restriction provoke an urgent need for finding environmentally friendly corrosion preventing systems. A promising approach to replace the toxic chromate coatings is to embed particles containing nontoxic inhibitor in a passive coating matrix. This work presents the development and optimization of effective anticorrosive coatings for the industrially important aluminum alloy, AA2024-T3 using this approach. The protective coatings were prepared by dispersing mesoporous silica containers, loaded with the nontoxic corrosion inhibitor 2-mercaptobenzothiazole, in a passive sol-gel (SiOx/ZrOx) or organic water-based layer. Two types of porous silica containers with different sizes (d ≈ 80 and 700 nm, respectively) were investigated. The studied robust containers exhibit high surface area (≈ 1000 m² g-1), narrow pore size distribution (dpore ≈ 3 nm) and large pore volume (≈ 1 mL g-1) as determined by N2 sorption measurements. These properties favored the subsequent adsorption and storage of a relatively large amount of inhibitor as well as its release in response to pH changes induced by the corrosion process. The concentration, position and size of the embedded containers were varied to ascertain the optimum conditions for overall anticorrosion performance. Attaining high anticorrosion efficiency was found to require a compromise between delivering an optimal amount of corrosion inhibitor and preserving the coating barrier properties. This study broadens the knowledge about the main factors influencing the coating anticorrosion efficiency and assists the development of optimum active anticorrosive coatings doped with inhibitor loaded containers.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung mesoporöser monolithischer Silica und deren Hybridmaterialien mit Ionischen Flüssigkeiten (ILs, ionic liquids). Zur Synthese der Silicaproben wurde ein Sol-Gel-Verfahren, ausgehend von einer Präkursorverbindung wie Tetramethylorthosilicat angewendet. Der Katalysator mit der geringsten Basizität führte zum Material mit der kleinsten Porengröße und der größten spezifischen Oberfläche. Eine Kombination von porösen Silica mit ILs führt zur Materialklasse der Silica-Ionogele. Diese Hybridmaterialien verbinden die Eigenschaften eines porösen Festkörpers mit denen einer IL (Leitfähigkeit, weites elektrochemisches Fenster, gute thermische Stabilität) und bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten z.B. in der Katalyse- Solar- und Sensortechnik. Um diese Materialien für ihren Verwendungszweck zu optimieren, bedarf es deren umfassenden Charakterisierung. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit das thermische Verhalten von Silica-Ionogelen unter Verwendung verschiedener 1-Ethyl-3-methylimidazolium [Emim]-basierter ILs untersucht. Interessanterweise zeigen die untersuchten ILs deutliche Änderungen in ihrem thermischen Verhalten, wenn diese in porösen Materialien eingeschlossen werden (Confinement). Während sich die untersuchten reinen ILs durch klar unterscheidbare Phasenübergänge auszeichnen, konnten für die entsprechenden Hybridmaterialien deutlich schwächer ausgeprägte Übergänge beobachtet werden. Einzelne Phasenübergänge wurden unterdrückt (Glas- und Kristallisationsübergänge), während z.B. Schmelzübergänge in verbreiterten Temperaturbereichen, zum Teil als einzeln getrennte Schmelzpeaks beobachtet wurden. Diese Untersuchungen belegen deutliche Eigenschaftsänderungen der ILs in eingeschränkten Geometrien. Über Festkörper-NMR-Spektroskopie konnte außerdem gezeigt werden, daß die ILs in den mesoporösen Silicamaterialien eine unerwartet hohe Mobilität aufweisen. Die ILs können als quasi-flüssig bezeichnet werden und zeigen die nach bestem Wissen höchste Mobilität, die bisher für vergleichbare Hybridmaterialien beobachtet wurde. Durch Verwendung von funktionalisierten Präkursoren, sowie der Wahl der Reaktionsbedingungen, kann die Oberfläche der Silicamaterialien chemisch funktionalisiert werden und damit die Materialeigenschaften in der gewünschten Weise beeinflußt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluß der Oberflächenfunktionalität auf das thermische Verhalten hin untersucht. Dazu wurden zwei verschiedene Möglichkeiten der Funktionalisierung angewendet und miteinander verglichen. Bei der in-situ-Funktionalisierung wird die chemische Funktionalität während der Sol-Gel-Synthese über ein entsprechend funktionalisiertes Silan mit in das Silicamaterial einkondensiert. Eine postsynthetische Funktionalisierung erfolgt durch Reaktion der Endgruppen eines Silicamaterials mit geeigneten Reaktionspartnern. Um den Einfluß der physikalischen Eigenschaften der Probe auf die Reaktion zu untersuchen, wurden pulverisierte und monolithische Silicamaterialien miteinander verglichen. Im letzten Teil der Arbeit wurde die Vielfältigkeit, mit der Silicamaterialien postsynthetisch funktionalisiert werden können demonstriert. Durch die Kenntnis von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen können die Eigenschaften von Silica-Ionogelen durch die geeignete Kombination von fester und mobiler Phase in der gewünschten Weise verändert werden. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Untersuchung dieser Beziehungen leisten, um das Potential dieser interessanten Materialien für Anwendungen nutzen zu können. / This work describes the synthesis and characterization of mesoporous monolithic silica and its hybrid materials with ionic liquids (ILs). For synthesis of the silica samples a sol-gel method was used. The catalyst with the weakest basicity leads to the material with the smallest pore size and the largest specific surface area. Combination of porous silica with ILs yields silica-ionogels. These hybrid materials combine the properties of porous solids with the properties of ILs (which is e.g. high conductivity, wide electrochemical stability window, and good thermal stability) and therefore offer a variety of possible applications like catalysis, solar and sensing. To optimize these materials for specific applications there is a need to understand their structure-composition-property relations. For this reason the thermal behavior of silica-ionogels was studied using different 1-ethyl-3-methylimidazolium [Emim]-based ILs. Interestingly the ILs show a clear change in their thermal behavior upon confinement in porous silica. Whereas the pure ILs show distinct phase transitions, the hybrid materials exhibit considerably weaker phase transitions. Phase transitions are suppressed (glass- and crystallization phase transitions); melting transitions show multiple melting peaks. Furthermore solid-state NMR also shows that ILs in mesoporous silica exhibit unusual high mobility. The confined ILs can therefore be classified as quasi-liquid and represents to our best knowledge the highest mobility observed so far in ionogels. By using functionalized silane precursors and different reaction conditions the silica surface was chemically functionalized which further changes the material properties. In a final approach a post-synthetic functionalization was performed by reaction of the selected groups of a silica material with suitable reactants. To study the effect of the physical appearance on the characteristics of the final material, powdered and monolithic samples were studied. In the last part of the work the versatility of post-synthetic silica functionalization was demonstrated. The current work contributes to a better understanding of structure-property correlations, to improve the potential of these interesting materials for possible applications.

Die Pyrolyse ausgewählter Polysiloxane und Poly(chlor)silane erzeugt meso- und mikroporöses SiC, welches als Hochtemperatur-beständiges Material für Filter, Katalysatorträger und Sensoren ein hohes Anwendungspotential besitzt. Der Pyrolyseprozess bis 1500 °C wird thermogravimetrisch und massenspektrometrisch verfolgt und die resultierenden "Bulk"-Pyrolysate mittels DRIFT-Messungen, Elementaranalyse, XRD, N2-Adsorption und FESEM charakterisiert. Zusammensetzung, Kristallinität und Poreneigenschaften des precursorabgeleiteten SiC lassen sich über die Precursorart sowie über die Pyrolysetemperatur und -dauer steuern. Die Poren entstehen je nach Precursor zwischen 1200 und 1500 °C. Im Falle von mesoporösen Pyrolysaten wird die Porenbildung in erster Linie durch die Abgabe gasförmiger Reaktionsprodukte hervorgerufen. Die Porengrößen dieser Produkte liegen zwischen 6 und 12 nm und die spezifische Oberfläche beträgt bis zu 270 m2/g. Bei den mikroporösen Pyrolysaten, gekennzeichnet durch Poren von 1,5 nm Größe und spezifischen Oberflächen bis 530 m2/g, werden die Poreneigenschaften vor allem durch den im Überschuss vorhandenen elementaren Kohlenstoff geprägt.

Metallorganische Gerüstverbindungen (engl.: Metal-organic Framework, MOFs) haben sich in den letzten Jahren neben Zeolithen, Aktivkohlen und anderen als eine weitere Klasse poröser Materialien etabliert. Die Möglichkeit des individuellen Designs von Eigenschaften wie Porengröße und -geometrie, innerer Oberfläche und Porenvolumen, der Hydrophilie und Funktionalität machen diese Materialklasse zum Gegenstand der Forschung in den vielfältigsten Gebieten. Darüber hinaus besitzen sie unter porösen Materialien exklusiv die Eigenschaft der definierten strukturellen Flexibilität, welche in Kombination mit bereits genannten Eigenschaften eine weitere Vielzahl an neuen möglichen Anwendungen erahnen lässt. Die Faszination dieser strukturellen Flexibilität von MOFs sowie die Möglichkeit der Kontrolle dieser Eigenschaft sollten im Fokus der Betrachtung stehen. Zur Integration von Flexibilität in dreidimensionale Netzwerke wurde als Strategie der Einsatz von semi-flexiblen Linkermolekülen gewählt. Eine potentielle Molekülklasse für diese Art der Untersuchung stellen Triarylaminverbindungen dar, da sie trotz ihrer durchgängigen sp2-Hybridisierung über ein gewisses Maß an konformeller Flexibilität verfügen. So wurde über einen präparativ sehr guten Zugang der tetrafunktionelle H4benztb-Linker (Abbildung 1a) generiert. Durch die Kombination dieser Tetracarbonsäure mit Metall-Clustern unterschiedlicher Konnektivität resultierten acht strukturell unterschiedliche MOFs, wodurch an diesen Verbindungen Aussagen über Struktur-Eigenschafts-Beziehungen getroffen werden können. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die kostengünstige Darstellung komplexer nicht-kommerzieller Liganden und daraus resultierende hochporöse MOFs sowie Untersuchungen zu deren Stabilität und Speicherkapazität für verschiedene Gase im Hochdruckbereich. Durch die Reaktion des H4benztb-Liganden mit Zinknitrat unter variierenden Synthesebedingungen konnten drei Netzwerke unterschiedlich hoher Konnektivität erhalten werden. DUT 10(Zn) (Zn2(benztb)2(H2O)2), basierend auf dem vierfach verknüpfenden dimeren Schaufelrad-Konnektor, zeigt mit einem (4,4)-Netzwerk dabei den geringsten Verzweigungsgrad. Daraus resultierend zeigt dieses Material eine sehr große strukturelle Flexibilität beim Entfernen des in den Poren vorliegenden Lösungsmittels sowie bei der Adsorption von CO2 bei -78°C bis 1 bar. Wird die Netzwerkkonnektivität durch den Einsatz eines sechsfach verknüpfenden [Zn4O]6+-Clusters erhöht, so zeigt das resultierende (4,6)-Netzwerk von DUT-13 (Zn4O(benztb)3/2) eine größere strukturelle Stabilität beim Entfernen des Lösunsgmittels sowie bei der Adsorption von Gastmolekülen im überkritischen Zustand. Für gasförmige Adsorptive zeigt das Netzwerk bei der Adsorption ein hochgradig flexibles Verhalten. Im Fall von N2 konnte über in situ-PXRD-Physisorptionsmessungen eine bislang noch nie beobachtete kristallin-amorph-kristallin-amorph-Transformation während eines Physisorptionszyklus beobachtet werden, was zeigt, dass DUT-13 über ein sog. Formgedächtnis verfügt und nach einer Amorphisierung erneut in seine ursprüngliche kristalline Form zurückkehrt. Neben der Erhöhung der Netzwerkkonnektivität wurde auch der Einfluss der partiellen Substitution des semi-flexiblen H4benztb gegen rigide Linker auf die Netzwerkflexibilität untersucht. Durch die Copolymerisationsstrategie des H4benztb mit der starren 1,3,5-Benzentribenzoesäure (H3btb) konnte DUT 25 (Zn4O(btb)2/3(benztb)) erhalten werden. Aufgrund der geringen Erhöhung der Rigidität der Verbindung zeigt dieses (3,4,6)-Netzwerk keinerlei strukturelle Flexibilität während der Aktivierung, der Adsorption von verschiedenen Gasen sowie von Gastmolekülen aus der Flüssigphase. Man erhält ein starres Material mit einer spezifischen inneren Oberfläche (SSA) von 4670 m2g-1 und einem totalen Porenvolumen (VP) von 2.22 cm3g-1. Aufbauend auf den positiven Ergebnissen der Copolymerisationsstrategie von DUT-25, wurde versucht, diese auf weitere kostengünstige Linkersysteme zur Synthese hochporöser MOF-Verbindungen auszuweiten. Durch eine effiziente und günstige Synthese einer Tricarbonsäure auf Amidbasis, 4,4´,4´´-[1,3,5-Benzentriyltris(carbonylimino)]trisbenzoesäure (H3btctb), und deren Kombination mit der linearen 4,4´-Biphenyldicarbonsäure (H2bpdc) und Zinknitrat wurde ein neues mesoporöses Koordinationspolymer DUT-32 (Zn4O(btctb)4/3(bpdc)) mit hierarchischem Porensystem erhalten. Dieses System konnte nur unter Zuhilfenahme von überkritischem CO2 in einen porösen lösungsmittelfreien Zustand überführt werden. Hierbei konnten die gravierenden Einflüsse verschiedener Parameter während der Trocknung (Lösungsmittel, Verweilzeit) auf die porösen Eigenschaften des resultierenden Materials aufgezeigt werden. Der Austausch des Reaktionslösungsmittels gegen Ethanolabs. und anschließende überkritische Trocknung führte zu einem amorphen porösen Material mit einem Typ-IV-N2-Isothermenverlauf und einer daraus berechneten spezifischen Oberfläche von 840 m2g-1, einem Mikroporen- sowie einem totalen Porenvolumen von 0.36 bzw. 2.91 cm3g-1. Erfolgt die Trocknung aus einem Lösungsmittel mit möglichst geringen Wechselwirkungen mit dem Netzwerk (Aceton, Amylacetat), so zeigt das resultierende kristalline Material nach einer CO2-Austauschzeit von drei Tagen gänzlich andere texturelle Eigenschaften mit einem Typ-I-N2-Isothermenverlauf, einer spezifischen Oberfläche von 5080 m2g-1 sowie einem totalen Porenvolumen von 2.27 cm3g-1. Wird diese Verweil- und damit die Austauschzeit im flüssigen CO2 weiter auf sieben Tage erhöht, steigt auch die Qualität/Porosität des Materials und man erhält eine Verbindung mit der bislang höchsten beschriebenen spezifischen Oberfläche (SSA = 7192 m2g-1), extrem hohem spezifischen Porenvolumen (VP = 3.16 cm3g-1) und hervorragenden Eigenschaften für die Gasspeicherung.

Despite the availability of numerous two-dimensional (2D) materials with structural ordering at the atomic or molecular level, direct construction of mesoscale-ordered superstructures within a 2D monolayer remains an enormous challenge. Here, we report the synergic manipulation of two types of assemblies in different dimensions to achieve 2D conducting polymer nanosheets with structural ordering at the mesoscale. The supramolecular assemblies of amphipathic perfluorinated carboxylic acids and block co-polymers serve as 2D interfaces and meso-inducing moieties, respectively, which guide the polymerization of aniline into 2D, freestanding mesoporous conducting polymer nanosheets. Grazingincidence small-angle X-ray scattering combined with various microscopy demonstrates that the resulting mesoscale-ordered nanosheets have hexagonal lattice with d-spacing of about 30 nm, customizable pore sizes of 7–18 nm and thicknesses of 13–45 nm, and high surface area. Such template-directed assembly produces polyaniline nanosheets with enhanced π–π stacking interactions, thereby resulting in anisotropic and record-high electrical conductivity of approximately 41 S cm–1 for the pristine polyaniline nanosheet based film and approximately 188 S cm–1 for the hydrochloric acid-doped counterpart. Our moldable approach creates a new family of mesoscale-ordered structures as well as opens avenues to the programmed assembly of multifunctional materials.

In der vorliegenden Arbeit wurden mesoporöse Materialien erfolgreich mit magnetischen bzw. katalytisch aktiven Nanopartikeln funktionalisiert, wobei zwei unterschiedliche Synthesestrategien verfolgt wurden. Zum einen erfolgte eine direkte Integration der katalytisch aktiven CeO2-Nanopartikel in poröse, thermisch stabile SiC-Matrizes mithilfe der inversen Mikroemulsionsmethode. Die Größe dieses wässrigen, cersalzhaltigen Nanoreaktors konnte über den RW-Wert (molares Wasser-Tensid-Verhältnis) im Bereich von 2,0-9,9 nm mit einer engen Größenverteilung variiert werden. Für katalytische Untersuchungen wurden die Cerhydroxidpartikel aus dem Mikroemulsionssystem ausgefällt und bei 100-600 °C calciniert. Dabei konnte eine größenabhängige Aktivität der Nanopartikel in der Rußverbrennung nachgewiesen werden, wobei eine Herabsetzung der Rußverbrennungstemperatur um bis zu 239 K nachgewiesen werden konnte. Weiterhin konnten polymere CeO2-SiC Vorläuferverbindungen durch Zugabe einer flüssigen, präkeramischen Vorläuferverbindung (Polycarbosilan) zum Mikroemulsionssystem hergestellt werden, wobei flüssig prozessierbare, transparente Lösungen resultierten. Anschließend erfolgte nach Entfernung der flüchtigen Bestandteile die Pyrolyse zur Bildung der CeO2-SiC-Keramiken. In Abhängigkeit von den Pyrolysebedingungen konnten kristalline SiC-Strukturen mit spezifischen Oberflächen von bis zu 240 m2/g nachgewiesen werden. In weiteren Untersuchungen konnte die Modularität dieses neuartigen Synthesekonzeptes demonstriert werden, indem Platin als zusätzliche Aktivkomponente in das bestehende Mikroemulsionssystem integriert wurde. Im Gegensatz zu den platinfreien Systemen erfolgte eine Vernetzungsreaktion infolge der Pt-katalysierten Vernetzungsreaktion des allylgruppenhaltigen Polycarbosilans, mit spezifischen Oberflächen von bis zu 896 m2/g. Anhand von TEM-Untersuchungen konnte eine hohe Dispersion der CeO2-Aktivkomponente mit Partikelgrößen von 2-3 nm gezeigt werden. Durch die Zugabe von Divinylbenzol als Kreuzvernetzungskomponente konnte neben einer weiteren Erhöhung der Oberfläche auf 992 m2/g auch die Hydrophobizität des Polymerkomposits signifikant erhöht werden. In einer zweiten Synthesestrategie wurden intermetallische MPt-Systeme (M=Fe, Co, Ni) durch Infiltration geeigneter Vorläuferverbindungen und anschließender Thermolyse in geordneten mesoporösen SiO2- bzw. Kohlenstoffmaterialien synthetisiert. Die Phasenbildung in Abhängigkeit von den Thermolysebedingungen wurde mithilfe der Röntgenpulverdiffraktometrie untersucht. Dabei wurden nach der Reduktion bei 400 °C ungeordnete fcc-MPt-Legierungen mit superparamagnetischen Eigenschaften erhalten. Dagegen resultierte für FePt-Systeme nach der Reduktion bei 750 °C bis 800 °C eine deutliche Zunahme der Raumtemperaturkoerzitivitäten auf bis zu 28,35 kOe (FePt@CMK-3) bzw. 15,60 kOe (FePt@SBA-15) infolge der Bildung der intermetallischen fct-FePt Verbindung. Weiterhin wurden die strukturellen sowie magnetischen Eigenschaften der FePt-Nanopartikel in Abhängigkeit vom Massenanteil sowie der Porengröße bzw. -geometrie der porösen Silicatemplate untersucht. Dabei konnte eine starke Abhängigkeit der Raumtemperaturkoerzitivität von der Porenstruktur sowie den jeweiligen Reduktionsbedingungen nachgewiesen werden. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Synthese hochporöser CDC-Kohlenstoffmaterialien (CDC: carbide derived carbon) durch die Chlorierung nichtoxidischer SiC-Keramiken. Hierbei wurde das Silicium der mesoskopisch geordneten SiC-Strukturen durch Umsetzung mit Chlor bei unterschiedlichen Thermolysebedingungen extrahiert. Die resultierenden CDC-Materialien wiesen neben sehr hohen spezifischen Oberflächen von bis zu 2865 m2/g bzw. Porenvolumina von 2,21 cm3/g auch eine von der SiC-Struktur sowie den Chlorierungsbedingungen abhängige mesoskopische Ordnung auf. Die mesoporösen CDC-Materialien eignen sich als Sorbentien mit hohen Butan- bzw. Wasserstoffspeicherkapazitäten von 0,692 gButan/gCDC (25 °C: 80 Vol% Butan) bzw. 2,58 gew% (77 K: 1 bar). Daneben resultieren überaus hohe gravimetrische Methanspeicherkapazitäten von 0,191 g Methan/gCDC im Hochdruckbereich (25 °C, 100 bar), die deutlich größer sind als die bekannter Metallorganischer Gerüstverbindungen. / Ordered mesoporous materials were successfully functionalized with magnetic and catalytic active nanoparticles. Two different synthesis strategies were employed. Cerium oxide nanoparticle containing silicon carbide composites were synthesized by direct incorporation of catalytic active CeO2 nanoparticles in preceramic polycarbosilane using inverse microemulsion technique and subsequent pyrolysis. Resulting ceramic composites offer specific surface up to 240 m2/g and a narrow pore sizes in the range of 4-6 nm. Additionally porous Pt containing CeO2-SiC composites were prepared demonstrating the versitibilty of this new synthesis strategy. Catalytic activity of ceria nanoparticles were shown in soot combustion reaction. In a second approach intermetallic MPt nanoparticles (M= fe, Co, Ni) were synthesized inside the pores of ordered mesoporous silica and carbon materials. Crystalline structure and particles size were controlled by the porous template and the annealing conditions. Very high room temperature coercivities up to 28.4 koe were obtained for intermetallic FePt nanoparticles in mesoporus carbon matrices. Catalytic activity of FePt silica composites were demonstrated in selective acetylene hydration. Furthermore high porous, mesostructured carbon materials (CDC: carbide derived carbon) were prepared by chlorination of ordered mesoporous silica resulting extraordinary high specific surface areas up 2865 m2/g, high pore volunina up to 2.21 cm3/g and mesoscopic ordering. These new carbon structures are appropriate as high performance energy storage materials.

Die Entwicklung und Synthese im Bereich neuartiger poröser Systeme, im speziellen Metallorganische Gerüstverbindungen (engl.: Metall-organic Frameworks; MOFs), wird weltweit in vielen Forschergruppen intensiv bearbeitet. Aufgrund der Möglichkeit, dass sich die Materialeigenschaften individuell designen lassen und letztendlich spezifische Eigenschaften für eine ausgewählte Anwendung bereitgestellt werden können, stellen MOFs für einen weiten Forscherkreis eine interessante Materialienklasse dar. Im Rahmen dieser Arbeit stand die Synthese von neuartigen MOFs im Vordergrund, welche geeignete Eigenschaften für eine effiziente Speicherung von Gasen im Nieder- als auch im Hochdruckbereich besitzen. Dabei wurde zum einen Augenmerk auf die Synthese mesoporöser MOF-Systeme gelegt. Hier lag die größte Herausforderung darin, die erhaltenen hochporösen Materialien in einer stabilen gastfreien Form zu erhalten. Ein weiterer Schwerpunkt war die Untersuchung von flexiblen MOF-Verbindungen und deren Eigenschaften in Abhängigkeit der Synthesebedingungen und der adsorbierten Spezies. Auf Basis der Copolymerisation verschiedener multifunktioneller Linkermoleküle konnten zwei mesoporöse Verbindungen und dazugehörige Isomorphe synthetisiert werden (DUT-6, DUT-23; DUT = Dresden University of Technology). Mit diesen Verbindungen konnte über die Kombination von unterschiedlich funktionellen Linkermolekülen eine erhöhte Netzwerkstabilität und damit einhergehend erhöhte Porosität erhalten werden. Sämtliche Verbindungen zeigen ausgezeichnetes adsorp-tives Verhalten und können aufgrund ihrer verschiedenen Eigenschaften in Bereichen der Hochdruckadsorption, Katalyse oder enantioselektiven Trennung Einsatz finden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das flexible Verhalten der „pillar-layer“ Verbindungen DUT-8(M) (M = Ni, Co, Zn, Cu) näher untersucht. Diese isomorphe Reihe zeichnet sich durch ihre hohe Netzwerkflexibilität in Abhängigkeit der integrierten Gastmoleküle sowie dem vorliegendem Metall-Dimer aus. DUT-8(M) zeigt unterschiedliche Adsorptionseigenschaften und unterschiedliches Stabilitäts- sowie Flexibilitätsverhalten.

Die Pyrolyse ausgewählter Polysiloxane und Poly(chlor)silane erzeugt meso- und mikroporöses SiC, welches als Hochtemperatur-beständiges Material für Filter, Katalysatorträger und Sensoren ein hohes Anwendungspotential besitzt. Der Pyrolyseprozess bis 1500 °C wird thermogravimetrisch und massenspektrometrisch verfolgt und die resultierenden "Bulk"-Pyrolysate mittels DRIFT-Messungen, Elementaranalyse, XRD, N2-Adsorption und FESEM charakterisiert. Zusammensetzung, Kristallinität und Poreneigenschaften des precursorabgeleiteten SiC lassen sich über die Precursorart sowie über die Pyrolysetemperatur und -dauer steuern. Die Poren entstehen je nach Precursor zwischen 1200 und 1500 °C. Im Falle von mesoporösen Pyrolysaten wird die Porenbildung in erster Linie durch die Abgabe gasförmiger Reaktionsprodukte hervorgerufen. Die Porengrößen dieser Produkte liegen zwischen 6 und 12 nm und die spezifische Oberfläche beträgt bis zu 270 m2/g. Bei den mikroporösen Pyrolysaten, gekennzeichnet durch Poren von 1,5 nm Größe und spezifischen Oberflächen bis 530 m2/g, werden die Poreneigenschaften vor allem durch den im Überschuss vorhandenen elementaren Kohlenstoff geprägt.

In der vorliegenden Arbeit wurden mesoporöse Materialien erfolgreich mit magnetischen bzw. katalytisch aktiven Nanopartikeln funktionalisiert, wobei zwei unterschiedliche Synthesestrategien verfolgt wurden. Zum einen erfolgte eine direkte Integration der katalytisch aktiven CeO2-Nanopartikel in poröse, thermisch stabile SiC-Matrizes mithilfe der inversen Mikroemulsionsmethode. Die Größe dieses wässrigen, cersalzhaltigen Nanoreaktors konnte über den RW-Wert (molares Wasser-Tensid-Verhältnis) im Bereich von 2,0-9,9 nm mit einer engen Größenverteilung variiert werden. Für katalytische Untersuchungen wurden die Cerhydroxidpartikel aus dem Mikroemulsionssystem ausgefällt und bei 100-600 °C calciniert. Dabei konnte eine größenabhängige Aktivität der Nanopartikel in der Rußverbrennung nachgewiesen werden, wobei eine Herabsetzung der Rußverbrennungstemperatur um bis zu 239 K nachgewiesen werden konnte. Weiterhin konnten polymere CeO2-SiC Vorläuferverbindungen durch Zugabe einer flüssigen, präkeramischen Vorläuferverbindung (Polycarbosilan) zum Mikroemulsionssystem hergestellt werden, wobei flüssig prozessierbare, transparente Lösungen resultierten. Anschließend erfolgte nach Entfernung der flüchtigen Bestandteile die Pyrolyse zur Bildung der CeO2-SiC-Keramiken. In Abhängigkeit von den Pyrolysebedingungen konnten kristalline SiC-Strukturen mit spezifischen Oberflächen von bis zu 240 m2/g nachgewiesen werden. In weiteren Untersuchungen konnte die Modularität dieses neuartigen Synthesekonzeptes demonstriert werden, indem Platin als zusätzliche Aktivkomponente in das bestehende Mikroemulsionssystem integriert wurde. Im Gegensatz zu den platinfreien Systemen erfolgte eine Vernetzungsreaktion infolge der Pt-katalysierten Vernetzungsreaktion des allylgruppenhaltigen Polycarbosilans, mit spezifischen Oberflächen von bis zu 896 m2/g. Anhand von TEM-Untersuchungen konnte eine hohe Dispersion der CeO2-Aktivkomponente mit Partikelgrößen von 2-3 nm gezeigt werden. Durch die Zugabe von Divinylbenzol als Kreuzvernetzungskomponente konnte neben einer weiteren Erhöhung der Oberfläche auf 992 m2/g auch die Hydrophobizität des Polymerkomposits signifikant erhöht werden. In einer zweiten Synthesestrategie wurden intermetallische MPt-Systeme (M=Fe, Co, Ni) durch Infiltration geeigneter Vorläuferverbindungen und anschließender Thermolyse in geordneten mesoporösen SiO2- bzw. Kohlenstoffmaterialien synthetisiert. Die Phasenbildung in Abhängigkeit von den Thermolysebedingungen wurde mithilfe der Röntgenpulverdiffraktometrie untersucht. Dabei wurden nach der Reduktion bei 400 °C ungeordnete fcc-MPt-Legierungen mit superparamagnetischen Eigenschaften erhalten. Dagegen resultierte für FePt-Systeme nach der Reduktion bei 750 °C bis 800 °C eine deutliche Zunahme der Raumtemperaturkoerzitivitäten auf bis zu 28,35 kOe (FePt@CMK-3) bzw. 15,60 kOe (FePt@SBA-15) infolge der Bildung der intermetallischen fct-FePt Verbindung. Weiterhin wurden die strukturellen sowie magnetischen Eigenschaften der FePt-Nanopartikel in Abhängigkeit vom Massenanteil sowie der Porengröße bzw. -geometrie der porösen Silicatemplate untersucht. Dabei konnte eine starke Abhängigkeit der Raumtemperaturkoerzitivität von der Porenstruktur sowie den jeweiligen Reduktionsbedingungen nachgewiesen werden. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Synthese hochporöser CDC-Kohlenstoffmaterialien (CDC: carbide derived carbon) durch die Chlorierung nichtoxidischer SiC-Keramiken. Hierbei wurde das Silicium der mesoskopisch geordneten SiC-Strukturen durch Umsetzung mit Chlor bei unterschiedlichen Thermolysebedingungen extrahiert. Die resultierenden CDC-Materialien wiesen neben sehr hohen spezifischen Oberflächen von bis zu 2865 m2/g bzw. Porenvolumina von 2,21 cm3/g auch eine von der SiC-Struktur sowie den Chlorierungsbedingungen abhängige mesoskopische Ordnung auf. Die mesoporösen CDC-Materialien eignen sich als Sorbentien mit hohen Butan- bzw. Wasserstoffspeicherkapazitäten von 0,692 gButan/gCDC (25 °C: 80 Vol% Butan) bzw. 2,58 gew% (77 K: 1 bar). Daneben resultieren überaus hohe gravimetrische Methanspeicherkapazitäten von 0,191 g Methan/gCDC im Hochdruckbereich (25 °C, 100 bar), die deutlich größer sind als die bekannter Metallorganischer Gerüstverbindungen. / Ordered mesoporous materials were successfully functionalized with magnetic and catalytic active nanoparticles. Two different synthesis strategies were employed. Cerium oxide nanoparticle containing silicon carbide composites were synthesized by direct incorporation of catalytic active CeO2 nanoparticles in preceramic polycarbosilane using inverse microemulsion technique and subsequent pyrolysis. Resulting ceramic composites offer specific surface up to 240 m2/g and a narrow pore sizes in the range of 4-6 nm. Additionally porous Pt containing CeO2-SiC composites were prepared demonstrating the versitibilty of this new synthesis strategy. Catalytic activity of ceria nanoparticles were shown in soot combustion reaction. In a second approach intermetallic MPt nanoparticles (M= fe, Co, Ni) were synthesized inside the pores of ordered mesoporous silica and carbon materials. Crystalline structure and particles size were controlled by the porous template and the annealing conditions. Very high room temperature coercivities up to 28.4 koe were obtained for intermetallic FePt nanoparticles in mesoporus carbon matrices. Catalytic activity of FePt silica composites were demonstrated in selective acetylene hydration. Furthermore high porous, mesostructured carbon materials (CDC: carbide derived carbon) were prepared by chlorination of ordered mesoporous silica resulting extraordinary high specific surface areas up 2865 m2/g, high pore volunina up to 2.21 cm3/g and mesoscopic ordering. These new carbon structures are appropriate as high performance energy storage materials.

Die Entwicklung und Synthese im Bereich neuartiger poröser Systeme, im speziellen Metallorganische Gerüstverbindungen (engl.: Metall-organic Frameworks; MOFs), wird weltweit in vielen Forschergruppen intensiv bearbeitet. Aufgrund der Möglichkeit, dass sich die Materialeigenschaften individuell designen lassen und letztendlich spezifische Eigenschaften für eine ausgewählte Anwendung bereitgestellt werden können, stellen MOFs für einen weiten Forscherkreis eine interessante Materialienklasse dar. Im Rahmen dieser Arbeit stand die Synthese von neuartigen MOFs im Vordergrund, welche geeignete Eigenschaften für eine effiziente Speicherung von Gasen im Nieder- als auch im Hochdruckbereich besitzen. Dabei wurde zum einen Augenmerk auf die Synthese mesoporöser MOF-Systeme gelegt. Hier lag die größte Herausforderung darin, die erhaltenen hochporösen Materialien in einer stabilen gastfreien Form zu erhalten. Ein weiterer Schwerpunkt war die Untersuchung von flexiblen MOF-Verbindungen und deren Eigenschaften in Abhängigkeit der Synthesebedingungen und der adsorbierten Spezies. Auf Basis der Copolymerisation verschiedener multifunktioneller Linkermoleküle konnten zwei mesoporöse Verbindungen und dazugehörige Isomorphe synthetisiert werden (DUT-6, DUT-23; DUT = Dresden University of Technology). Mit diesen Verbindungen konnte über die Kombination von unterschiedlich funktionellen Linkermolekülen eine erhöhte Netzwerkstabilität und damit einhergehend erhöhte Porosität erhalten werden. Sämtliche Verbindungen zeigen ausgezeichnetes adsorp-tives Verhalten und können aufgrund ihrer verschiedenen Eigenschaften in Bereichen der Hochdruckadsorption, Katalyse oder enantioselektiven Trennung Einsatz finden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das flexible Verhalten der „pillar-layer“ Verbindungen DUT-8(M) (M = Ni, Co, Zn, Cu) näher untersucht. Diese isomorphe Reihe zeichnet sich durch ihre hohe Netzwerkflexibilität in Abhängigkeit der integrierten Gastmoleküle sowie dem vorliegendem Metall-Dimer aus. DUT-8(M) zeigt unterschiedliche Adsorptionseigenschaften und unterschiedliches Stabilitäts- sowie Flexibilitätsverhalten.