Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) were decorated with metal nanoparticles. Using a complementary analysis with spatially resolved micro-Raman spectroscopy, high resolution transmission electron microscopy, electron diffraction, and tip-enhanced Raman spectroscopy, we show that the SWCNTs form bundles in which smaller diameter SWCNTs are the ones preferentially affected by the presence of Au and Ag nanoparticles. This result is exploited to evaluate the structural organization of SWCNTs with mixed chiralities in bundles, leading us to postulate that smaller diameter SWCNTs surround larger ones. We found that this effect occurs for very distinct scenarios including SWCNTs both in nanometer thin films and in field effect transistor configurations at the wafer-level, suggesting a universal phenomenon for SWCNTs deposited from dispersions. / Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) wurden mit Metallnanopartikeln dekoriert. Nach Anwendung von ortsauflösender Raman-Mikroskopie und -Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Elektronenbeugung und spitzenverstärkter Ramanspektroskopie wird festgestellt, dass sich aus den SWCNTs fasrige Bündel formen, wobei die analytischen Signaturen der SWCNTs mit kleinerem Durchmesser stärker von der Präsenz der Gold- und Silbernanopartikel beeinflusst werden als die der größeren. Dieses Resultat kann damit erklärt werden, dass in der Struktur solcher Bündel SWCNTs mit kleinerem Durchmesser außen und SWCNTs mit größerem Durchmesser innen zu liegen kommen. Wir konnten diesen Effekt für verschiedene Szenarien nachweisen: i) für SWCNTs in nanometerdünnen ungeordneten Filmen und ii) für SWCNTs, ausgerichtet zwischen Elektroden in der Geometrie eines Feldeffekttransistors. Diese Feststellung legt nahe, dass es sich um ein universelles Phänomen für aus flüssigen Dispersionen abgeschiedene SWCNTs handelt. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The utilization of plasmonic energy in the form of heat, resonance energy, and/or hot carriers offers unique possibilities for various applications, like in catalytic and medical applications, due to their simple recyclability or administration. A common strategy to make this plasmonic energy available to the direct environment is to introduce conductive polymer coatings to transfer the energy and to increase the excitons lifetime. However, their practical use is limited due to the limited spectral match of gold with commonly used polymeric materials and semiconductors, the oxidation vulnerability of silver, and the short range of the required strong plasmonic interactions. To overcome these challenges, we developed the synthesis of conjugated polymer–gold–silver hybrid colloids that simultaneously enable silver as the central plasmonic material and prolong the internal relaxation by a heterojunction with a conductive polymer shell. The introduced thin gold layer focuses the plasmonic energy to the metal surface, enhancing and enabling the photocatalyzed polymerization of polypyrrole (PPy) while maintaining the plasmonic properties of silver. Hence, the introduced hybrid particles allow the foreseeable use of plasmonic energy in real-world applications via the strong plasmonics of silver and compatible conductive polymer shells as mediators.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Synthese neuer funktioneller Materialien unter Zuhilfenahme von Blockcopolymerpartikeln als „soft templates“ und die Untersuchung ihrer Anwendungsmöglichkeiten als Katalysator- und Energiespeichermaterialien. Drei Arten von Kompositpartikeln mit komplexen Strukturen wurden synthetisiert: Palladium@poly(styrol-b-2-vinylpyridin)@Dodecanthiol-Gold (Pd@PS-P2VP@DT-Au) Hybridpartikel, Polydopamin@Gold (PDA@Au) Nanoreaktoren und poröse Ti4O7 Partikel mit verbundener Porenstruktur. Im ersten Teil der Arbeit wurden Pd@PS-P2VP@Au Kern-Schale Partikel, bestehend aus DT-Au Aggregaten als Kern, umgeben von mit Palladium Nanopartikeln beschichtetem PS-P2VP als Schale hergestellt. Die auf die strukturierte P2VP Schale aufgebrachten Palladium Nanopartikel weisen im Vergleich mit anderen bekannten Systemen gute katalytische Eigenschaften für die Reduktion von 4-Nitrophenol mit NaBH4 auf. Im zweiten Teil wurden zum ersten Mal PDA@Au Nanoreaktoren mit verbundener Porenstruktur unter Verwendung einer „soft template“-Methode synthetisiert. Dabei wurden poröse PS-P2VP Partikel als Template verwendet. Mittels Elektronentomografie (ET) konnte die verbundene Porenstruktur mit den darin gleichmäßig verteilten Gold Nanopartikeln direkt abgebildet werden. Die PDA@Au Partikel wurden mithilfe der katalytischen Reduktion von 4-Nitrophenol kinetisch untersucht. Im dritten Teil wurden poröse Ti4O7 Partikel mit verbundener Porenstruktur als neuer Typ von Schwefel Wirtsmaterial für Lithium-Schwefel Batterien unter Zuhilfenahme von porösen PS-P2VP Templatpartikeln entwickelt. Die elektrochemische Untersuchung von Ti4O7/S und kohlenstoffbeschichtetem Ti4O7/S beim Einsatz als Kathodenmaterial ergab hervorragende Leistungsdaten von 1219 mAhg−1 bzw. 1411 mAhg−1 für die Anfangskapazität und eine Kapazitätserhaltung von 74% bzw. 77% nach 200 Zyklen. / The present thesis focuses on the synthesis of novel functional materials by using block copolymer particles as soft templates. Three types of particles with complex structures have been synthesized, involving palladium@poly(styrene-b-2-vinylpyridine)@dodecanethiol-gold (DT-Au) (Pd@PS-P2VP@DT-Au) hybrid particles, polydopamine@gold (PDA@Au) nanoreactors with Au nanoparticles immobilized in PDA channels, and porous Ti4O7 particles with interconnected-pore structure. Their possible applications as catalyst and energy storage materials have been studied. In the first part of the thesis, Pd@PS-P2VP@DT-Au core-shell particles, which consist of dodecanethiol-gold (DT-Au) aggregation as core and Pd coated PS-P2VP as shell, have been fabricated based on the Rayleigh instability of polymer nanotubes inside Anodic Aluminium Oxide (AAO) porous membranes. The hybrid particles show efficient catalytic activity for the reduction of 4-nitrophenol by NaBH4. The catalytic activity has been compared with other reported systems. In the second part, PDA@Au nanoreactors with interconnected channel structures have been synthesized for the first time by using porous PS-P2VP particles as soft template. Electron tomography (ET) provides direct visualization of the interconnected pore structure of the nanoreactors, inside of which Au nanoparticles are homogeneously embedded. Such PDA@Au particles have been explored as nanoreactors for kinetic studies using the reduction of 4-nitrophenol as the model reaction. In the third part, porous Ti4O7 and carbon-coated Ti4O7 particles with interconnected-pore structure have been developed as efficient sulfur-host material for lithium-sulfur batteries by using porous PS-P2VP particles as template. The Ti4O7/S and carbon-coated Ti4O7/S composites show excellent electrochemical performance with initial capacities of 1219 mAh g−1 and 1411 mAh g−1, capacity retentions of 74% and 77% after 200 cycles, respectively.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Synthese neuartiger Hybridmaterialien basierend auf der Einlagerung optischer Materialien, wie Farbstoffmoleküle und Metallnanopartikel, in anorganische Wirtsmaterialien mit definierten Porenstrukturen. Hierfür wurden mikro- und mesoporöse alumosilikatische Verbindungen, wie z.B. Zeolithe und Vertreter aus der Familie der sogenannten „Mobile Composition of Matter“ (MCM), verwendet. Mit Hilfe dieses Konzeptes konnte z.B. der Einfluss der Wirtsmaterialien hinsichtlich ihrer Porengrößen und inneren Polarität auf die optischen Eigenschaften von photochromen Naphthopyranfarbstoffen untersucht werden. Neue photochrome Kompositmaterialien, welche sich durch einfache industrielle Prozesse, wie z.B. der Extrusion in eine Polymermatrix, weiterverarbeiten lassen, wurden auf diesem Wege synthetisiert. Durch die Einkapselung eines solvatochromen Spiropyranderivats innerhalb der Superkäfige von Faujasiten konnten Rückschlüsse auf die Polaritätsparameter der äußeren und inneren Oberfläche der Molekularsiebe gewonnen werden. Zudem wurde ein neues Synthesekonzept zur Herstellung fluoreszierender Silbernanopartikel innerhalb eines Zeolith Y entwickelt, um auf sehr einfachem Weg ein stabiles Material mit interessanten Fluoreszenzeigenschaften zu erhalten. Der Einfluss der Wirtsoberfläche auf fluoreszierende Farbstoffe wurde des Weiteren an Benzylidenketonfarbstoffen untersucht, die mittels „Ship in a Bottle reaction“ in Zeolith Y eingekapselt wurden. Um das Konzept zur Synthese optischer Effektpigmente zu erweitern, wurden neue photochrome Naphthopyrane, welche in Konjugation zu fluoreszierenden Farbstoffen stehen, synthetisiert und untersucht.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Synthese neuartiger Hybridmaterialien basierend auf der Einlagerung optischer Materialien, wie Farbstoffmoleküle und Metallnanopartikel, in anorganische Wirtsmaterialien mit definierten Porenstrukturen. Hierfür wurden mikro- und mesoporöse alumosilikatische Verbindungen, wie z.B. Zeolithe und Vertreter aus der Familie der sogenannten „Mobile Composition of Matter“ (MCM), verwendet. Mit Hilfe dieses Konzeptes konnte z.B. der Einfluss der Wirtsmaterialien hinsichtlich ihrer Porengrößen und inneren Polarität auf die optischen Eigenschaften von photochromen Naphthopyranfarbstoffen untersucht werden. Neue photochrome Kompositmaterialien, welche sich durch einfache industrielle Prozesse, wie z.B. der Extrusion in eine Polymermatrix, weiterverarbeiten lassen, wurden auf diesem Wege synthetisiert. Durch die Einkapselung eines solvatochromen Spiropyranderivats innerhalb der Superkäfige von Faujasiten konnten Rückschlüsse auf die Polaritätsparameter der äußeren und inneren Oberfläche der Molekularsiebe gewonnen werden. Zudem wurde ein neues Synthesekonzept zur Herstellung fluoreszierender Silbernanopartikel innerhalb eines Zeolith Y entwickelt, um auf sehr einfachem Weg ein stabiles Material mit interessanten Fluoreszenzeigenschaften zu erhalten. Der Einfluss der Wirtsoberfläche auf fluoreszierende Farbstoffe wurde des Weiteren an Benzylidenketonfarbstoffen untersucht, die mittels „Ship in a Bottle reaction“ in Zeolith Y eingekapselt wurden. Um das Konzept zur Synthese optischer Effektpigmente zu erweitern, wurden neue photochrome Naphthopyrane, welche in Konjugation zu fluoreszierenden Farbstoffen stehen, synthetisiert und untersucht.

Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) were decorated with metal nanoparticles. Using a complementary analysis with spatially resolved micro-Raman spectroscopy, high resolution transmission electron microscopy, electron diffraction, and tip-enhanced Raman spectroscopy, we show that the SWCNTs form bundles in which smaller diameter SWCNTs are the ones preferentially affected by the presence of Au and Ag nanoparticles. This result is exploited to evaluate the structural organization of SWCNTs with mixed chiralities in bundles, leading us to postulate that smaller diameter SWCNTs surround larger ones. We found that this effect occurs for very distinct scenarios including SWCNTs both in nanometer thin films and in field effect transistor configurations at the wafer-level, suggesting a universal phenomenon for SWCNTs deposited from dispersions. / Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) wurden mit Metallnanopartikeln dekoriert. Nach Anwendung von ortsauflösender Raman-Mikroskopie und -Spektroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Elektronenbeugung und spitzenverstärkter Ramanspektroskopie wird festgestellt, dass sich aus den SWCNTs fasrige Bündel formen, wobei die analytischen Signaturen der SWCNTs mit kleinerem Durchmesser stärker von der Präsenz der Gold- und Silbernanopartikel beeinflusst werden als die der größeren. Dieses Resultat kann damit erklärt werden, dass in der Struktur solcher Bündel SWCNTs mit kleinerem Durchmesser außen und SWCNTs mit größerem Durchmesser innen zu liegen kommen. Wir konnten diesen Effekt für verschiedene Szenarien nachweisen: i) für SWCNTs in nanometerdünnen ungeordneten Filmen und ii) für SWCNTs, ausgerichtet zwischen Elektroden in der Geometrie eines Feldeffekttransistors. Diese Feststellung legt nahe, dass es sich um ein universelles Phänomen für aus flüssigen Dispersionen abgeschiedene SWCNTs handelt. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.