The present thesis adress the synthesis and characterization of novel COFs that contain dye molecules as integral components of the organic backbone. These chromophore-containing frameworks open new research lines in the field and call for the exploration of applications such as catalysis, sensing, or in optoelectronic devices. Initially, the fabrication of organic-inorganic composites by the growth of DPP TAPP COF around functionalized iron oxide nanoparticles is reported. By varying the ratio between inorganic nanoparticles and organic COFs, optoelectronic properties of the materials are adjusted. The document also reports the synthesis of a novel boron dipyrromethene-containing (BODIPY) COF. Synthesis, full characterization and the scope of potential applications with a focus on environmental remediation are discussed in detail. Last, a novel diketopyrrolopyrrole-containing (DPP) DPP-Py-COF based on the combination of DDP and pyrene building blocks is presented. The very low bandgap of these materials and initial investigations on the photosensitizing properties are discussed. / Die Forschung an modernen porösen Materialien hat die Entwicklung von COFs als robuste, leichtgewichtige, hochgeordnete und vielseitig einsetzbare organische Materialien vorangetrieben. Der Einsatz von DCC ist entscheidend für den Aufbau hochkristalliner Netzwerke, die in der Lage sind, strukturelle Defekte selbst zu heilen (Kapitel 2.2). Für die einfache Bildung wohldefinierter Kristallite wurden verschiedene synthetische Strategien entwickelt (Kapitel 2.3). Darüber hinaus ist ein detailliertes Verständnis über die verschiedenen Reaktionen, die für die kovalente Verknüpfung organischer Bausteine eingesetzt werden (Kapitel 2.4), und der verschiedenen Topologien, die sich nach der Vernetzung ergeben (Kapitel 2.5), von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung einer breiten Auswahl von Materialien für gezielte Anwendungen. ...

For example for battery diagnosis it is essential to understand mechanisms during discharge and because of aging to optimize cell design and operating conditions. Therefore the overall battery behavior can be modeled by combining models of relevant mechanisms like porosity, charge transfer reaction and diffusion. The aim of this contribution is to define one transmission line model for modeling several of these mechanisms. Thereby a sophisticated normalization strategy allows to eliminate ambiguity and to quantify the influence of each model parameter. The results allow a better understanding of impedance measurements and can for example be used for battery diagnosis and simplified simulations of electrochemical systems. Fitting derived impedance models to measurement data by nonlinear parameter extraction techniques allows to monitor battery parameters during discharge and because of aging. Thereby a sophisticated normalization strategy is essential for unambiguous parameter extraction and useful to quantify the influence of each model parameter.

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Synthese neuartiger homochiraler Molekülstrukturen, welche nach Konzepten des Crystal Engineering über ein starres Grundgerüst sowie koordinationsfähige Haftgruppen verfügen sollten. Unter Verwendung von Wein- und Milchsäure, als Vertreter der natürlich vorkommenden, enantiomerenreinen α-Hydroxycarbonsäuren, konnten die entsprechenden Derivate mit aromatischen und/oder acetylenischen Spacerelementen hergestellt und umfassend charakterisiert werden. Die synthetisierten Wein- und Milchsäureverbindungen sowie die sich von den jeweiligen Weinsäureestern ableitenden TADDOLe wurden außerdem auf ihre optische Aktivität, ihre Affinität gegenüber verschiedenen Lösungsmitteldämpfen, ihr Einschlussverhalten gegenüber achiralen und chiralen Lösungsmitteln sowie ihre Eignung als organische Linker bei der Synthese von metallorganischen Gerüststrukturen untersucht. Mittels Röntgeneinkristallstrukturanalyse konnten die Festkörperstrukturen einiger Derivate aufgeklärt und diese hinsichtlich ihrer Konformation verglichen werden.

For example for battery diagnosis it is essential to understand mechanisms during discharge and because of aging to optimize cell design and operating conditions. Therefore the overall battery behavior can be modeled by combining models of relevant mechanisms like porosity, charge transfer reaction and diffusion. The aim of this contribution is to define one transmission line model for modeling several of these mechanisms. Thereby a sophisticated normalization strategy allows to eliminate ambiguity and to quantify the influence of each model parameter. The results allow a better understanding of impedance measurements and can for example be used for battery diagnosis and simplified simulations of electrochemical systems. Fitting derived impedance models to measurement data by nonlinear parameter extraction techniques allows to monitor battery parameters during discharge and because of aging. Thereby a sophisticated normalization strategy is essential for unambiguous parameter extraction and useful to quantify the influence of each model parameter.

Beim fallenden Vollformguss mit Aluminiumlegierungen existiert wegen der vergleichsweise zu Gusseisen niedrigen Gießtemperatur, nahezu kein Gasspalt zwischen der Schmelze und dem Schaumstoffmodell. Durch die Variierung der Schmelzezufuhr konnten Vorteile des fallenden Vollformgießens gegenüber dem steigenden Vollformgießen verdeutlicht werden. Außer wirtschaftlichen Vorteilen erfordert das fallende Gießen deutlich geringere Formfüllzeiten, die sehr wichtig bei der Herstellung von Seriengussteilen sind. Eine Abhängigkeit der Porosität von der Schichtdicke der Schlichte wurde nachgewiesen. Bei der Versuchsreihe mit Entgasung, kombiniert mit dem Unterdruck, konnten sehr niedrige Porositätswerte erzielt werden. Die Argonspülung unmittelbar vor dem Gießen beeinflusst auch die Formfüllgeschwindigkeit positiv. Durch die mikroskopischen Untersuchungen konnten die Poren visualisiert und die zweidimensionalen Größen, wie Fläche, Durchmesser sowie minimale und maximale Querschnitte gemessen werden.

With a surface area of about 10,000 km², the Salar de Uyuni is the largest salt flat in the world. It is located at an altitude of 3,653 m on the Altiplano, a high plateau in the south of the Bolivian Andes. The Salar de Uyuni consists of an alternating sequence of highly porous salt layers (mainly composed of halite) and lacustrine clay sediments. The pore volume of the uppermost salt layer which has a thickness of up to 11 m is filled by brine. The brine contains high amounts of Mg, K, Li and B. The element lithium is an especially important raw material for the production of batteries. Thus, it plays an important role for the development of the electric mobility. With this background, extensive hydrogeological exploration activities were carried out at the Salar de Uyuni in the context of this dissertation. The hydraulic properties of the uppermost salt crust and the physical properties (density and viscosity) of the brine must be characterized. In order to do this, several core drillings were made, observation wells were installed, brine samples were taken and pumping tests were conducted between 2009 and 2012. The stratigraphic documentation of the obtained sediment cores provided insights about the deposit structure and the upper salt layer thickness. The determination of the salt core porosity was carried out by three different methods: (a) by using X-ray computed tomography, (b) gravimetrically by saturation with 2-octanol and (c) by completion of the core volume with plasticine and calculation of the porosity under consideration of the particle density of the salt. The laboratory investigations showed a depth-dependent porosity distribution in the upper salt layer. The uppermost 2 m were characterized by very high porosity values between 30 and 39%. However at greater depth, the total porosity decreases on average to 13.5%. Geochemical analyses of brine samples confirmed the general spatial distribution of the lithium concentrations as already published by previous studies. On the basis of the lithium distribution in the brine, the thickness of the upper salt layer and the depth-dependent porosity distribution, the total lithium deposit in the Salar de Uyuni was calculated to be about 7 million tons. The evaluation of the pumping tests under consideration of the density and viscosity of the pumped brine showed that the salt has a very high permeability in the horizontal direction. In contrast, flow-through experiments on drill cores indicated a clear vertical anisotropy of the permeability. This is caused by the inhomogeneous sediment stratification for instance by interbedded fine gypsum or clay lamina. Thus, horizontal brine movements are possible, but a deep vertical flow component can hardly be expected. This assumption is confirmed by radiocarbon dating the brine samples from different salt depths. The influence of annual floods during the rainy season could be observed by long-term brine level measurements. Throughout the time-series analysis, distinct periodic brine fluctuations of a few centimeters per day could be identified during the dry season. These daily fluctuations indicated an impermeable crust probably formed by the evaporation of near-surface brine and subsequent crystallization of salts in the pore volume. Thus, daily temperature and atmospheric pressure changes could directly affect the brine level. Due to the extensive hydrogeological investigations, this dissertation contributes to the essential understanding of the hydraulic conditions in the Salar de Uyuni. / Mit einer Fläche von rund 10.000 km² ist der Salar de Uyuni die größte Salz-Ton-Ebene der Welt. Er befindet sich in einer Höhe von 3653 m NN im Altiplano, einer Hochebene im Süden der bolivianischen Anden. Der Salar de Uyuni besteht aus einer Wechsellagerung von hochporösen Salzschichten (überwiegend aus Halit bestehend) und lakustrinen Tonsedimenten. Die Porenräume der obersten bis zu 11 m mächtigen Salzschicht sind mit einer Sole gefüllt, die hohe Gehalte an Mg, K, Li und B aufweist. Insbesondere das Element Lithium ist ein wichtiger Rohstoff u.a. für die Herstellung von Batterien und spielt damit eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der Elektromobilität. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen der vorliegenden Dissertation umfassende hydrogeologische Erkundungsarbeiten am Salar de Uyuni durchgeführt, um die hydraulischen Eigenschaften der obersten Salzkruste sowie die physikalischen Eigenschaften (Dichte und Viskosität) der Sole zu charakterisieren. Dazu wurden zwischen 2009 und 2012 zahlreiche Kernbohrungen abgeteuft, Beobachtungsbrunnen installiert, Soleproben entnommen und Pumpversuche durchgeführt. Die stratigraphische Dokumentation der gewonnenen Bohrkerne lieferte Erkenntnisse zur Ablagerungsstruktur und zur Mächtigkeitsverteilung der obersten Salzschicht. Die Bestimmung der Porosität der Salzkerne erfolgte mit drei verschiedenen Methoden: (a) mittels Computertomographie, (b) gravimetrisch durch Aufsättigung mit 2-Oktanol und (c) durch Volumenergänzung der Kernproben mit Plastilin und Berechnung der Porosität unter Einbeziehung der Reindichte des Salzes. Die Laboruntersuchungen zeigten eine tiefenabhängige Porositätsverteilung in der obersten Salzschicht. Während die obersten 2 m durch sehr hohe Porositäten zwischen 30 und 39% gekennzeichnet sind, nimmt die Gesamtporosität in größerer Tiefe auf durchschnittlich 13.5% ab. Geochemische Analysen von Soleproben bestätigten die grundsätzliche räumliche Verteilung der Lithium-Konzentrationen, wie sie bereits durch frühere Studien veröffentlicht wurde. Auf Basis der Lithium-Verteilung in der Sole, der Mächtigkeit der oberen Salzschicht sowie der tiefenabhängigen Porositätsverteilung wurde ein Lithium-Vorkommen im Salar de Uyuni von rund 7 Millionen Tonnen berechnet. Die Auswertung der Pumpversuche unter Berücksichtigung der Dichte und Viskosität der geförderten Sole zeigte, dass das Salz eine sehr hohe Permeabilität in horizontaler Richtung aufweist. Allerdings zeigten Durchströmungsversuche an Bohrkernen eine deutliche vertikale Anisotropie der Permeabilität, was auf die inhomogene Sedimentschichtung durch z.B. eingeschaltete feine Gips- oder Tonschichten zurückzuführen ist. Somit sind zwar horizontale Solebewegungen möglich, jedoch ist kaum mit einer tiefgreifenden vertikalen Strömungskomponente in der Salzschicht zu rechnen. Diese Vermutung wird durch 14C-Altersdatierungen von Soleproben aus unterschiedlichen Tiefen des Salzes bestätigt. Der Einfluss der jährlichen Überschwemmungen während der Regenzeit konnte anhand von Langzeitmessungen des Solespiegels beobachtet werden. Im Zuge der Zeitreihen-Analyse zeigten sich zudem ausgeprägte periodische Tageschwankungen von einigen Zentimetern während der Trockenzeit. Diese deuten darauf hin, dass durch Verdunstung oberflächennaher Sole und damit einhergehender Kristallisation von Salzen im Porenraum eine undurchlässige Kruste entsteht. Dadurch haben tägliche Temperatur- und Luftdruckschwankungen direkten Einfluss auf den Solespiegel. Die vorliegende Dissertation trägt aufgrund der umfangreichen hydrogeologischen Untersuchungen wesentlich zum Verständnis der hydraulischen Verhältnisse im Salar de Uyuni bei. / Con una superficie de aproximadamente 10.000 kilómetros cuadrados el Salar de Uyuni es el mayor lago de sal en el mundo. Se encuentra a una altura de 3.653 m sobre el nivel del mar en el altiplano en el sur de los Andes bolivianos. El Salar de Uyuni consiste en una alternancia de capas de sal altamente porosa (que consiste predominantemente de halita) y lacustre sedimentos de arcilla. La capa superior de sal tiene un espesor de hasta 11 metros. Los espacios de poros del sal se llenan con una salmuera que contiene altos contenidos de Mg, K, Li y B. En particular, el elemento litio constituye una importante materia prima para la producción de baterías que son utilizadas en la construcción de vehículos eléctricos. Bajo estos antecedentes y en el contexto de la presente tesis, se han desarrollado extensas actividades de exploración hidrogeológica en el Salar de Uyuni. Las propiedades hidráulicas de la corteza de sal superior y las propiedades físicas (densidad y viscosidad) de la salmuera debían caracterizadas. Para ello, entre 2009 y 2012 se realizaron varios perforaciones con la finalidad de obtener muestras de núcleos, se instalaron pozos de supervisión, se realizaron pruebas de bombeo y se tomaron muestras de salmuera. La documentación estratigráfica de los núcleos de perforacíon proporciona conocimientos para la estructura de los depósitos y para el espesor del superior capa de sal. La porosidad de los núcleos de sal fue determinada por medio de tres métodos diferentes: (a) por tomografía computarizada (TC), (b) gravimétricamente mediante la saturación con 2-octanol y (c) mediante de compleción del volumen del núcleo con plastilina y computacíon de la porosidad en atención a la densidad real del sal. Las investigaciones de laboratorio demostraron una distribución de la porosidad dependiente de la profundidad en la capa superior de sal. Mientras que la parte superior 2 m se caracterizan por altas porosidades entre el 30 y 39%, la porosidad total decrese en una profundidad mayor a un promedio de 13,5%. Los análisis geoquímicos de muestras de salmuera confirmaron la distribución espacial fundamental de las concentraciones de litio, como ya se ha publicado por estudios anteriores. A base de la distribución de litio en la salmuera, el espesor de la capa superior de sal, y la porosidad dependiente de la profundidad determinaron que todos los recursos minerales de litio en el salar de Uyuni son alrededor de 7 millones de toneladas. La evaluación de las pruebas de bombeo en consideración de la densidad y la viscosidad de la salmuera transmitido mostró que la sal generalmente tiene una permeabilidad muy alta. Pero, las pruebas de flujo en muestras de núcleo mostró una anisotropía significativa de la permeabilidad con la profundidad, que se debe a una estratificación de sedimentos no homogénea debido las láminas finas de yeso o arcilla intercaladas. Por lo tanto, es correcto que los movimientos de salmuera horizontales son posibles, pero es poco probable que movimientos verticales de salmuera ocurran. Esta hipótesis se ve confirmada por la datación por radiocarbono de muestras de salmuera de diferentes profundidades de la sal. El impacto de las inundaciones anuales durante la estación lluviosa se puede observar a partir de las mediciones a largo plazo del nivel de salmuera. En el curso del análisis de series de tiempo también mostraron pronunciadas variaciones diarias periódicas de unos pocos centímetros en la estación seca. Esto sugiere que hay una corteza impermeable que se forma por evaporación de salmuera cerca de la superficie y la cristalización de sales en el espacio de los poros. En esta manera, las fluctuaciones diarias de temperatura y de preción de aire influyen directamente el nivel de salmuera. Gracias a las extensas investigaciones hidrogeológicas realizadas, la presente tesis contribuye significativamente a la comprensión de las condiciones hidráulicas en el Salar de Uyuni.

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Synthese neuartiger homochiraler Molekülstrukturen, welche nach Konzepten des Crystal Engineering über ein starres Grundgerüst sowie koordinationsfähige Haftgruppen verfügen sollten. Unter Verwendung von Wein- und Milchsäure, als Vertreter der natürlich vorkommenden, enantiomerenreinen α-Hydroxycarbonsäuren, konnten die entsprechenden Derivate mit aromatischen und/oder acetylenischen Spacerelementen hergestellt und umfassend charakterisiert werden. Die synthetisierten Wein- und Milchsäureverbindungen sowie die sich von den jeweiligen Weinsäureestern ableitenden TADDOLe wurden außerdem auf ihre optische Aktivität, ihre Affinität gegenüber verschiedenen Lösungsmitteldämpfen, ihr Einschlussverhalten gegenüber achiralen und chiralen Lösungsmitteln sowie ihre Eignung als organische Linker bei der Synthese von metallorganischen Gerüststrukturen untersucht. Mittels Röntgeneinkristallstrukturanalyse konnten die Festkörperstrukturen einiger Derivate aufgeklärt und diese hinsichtlich ihrer Konformation verglichen werden.

Most of the old oil fields in China have reached high water cut stage, in order to meet the booming energy demanding, oil production rate must be kept in the near future with corresponding IOR (Improving Oil Recovery) methods. Z106 oilfield lies in Shengli Oilfields Area at the Yellow River delta. It was put into development in 1988. Since the oil belongs to heavy oil, the oil-water mobility ratio is so unfavourable that water cut increases very quickly. Especially for reservoir Ng21, the sand rock is sediment from river channel, the permeability heterogeneity and heavy oil properties together lead to extremely poor water flooding efficiency. In order to improve the oil recovery, IOR methods are needed urgently. Considering all practical situations for this reservoir and present technique level, polymer flooding method has been selected as an IOR test with numerical simulation. For polymer flooding, since polymer resolution has the capability of enlarging water viscosity, it controls the mobility of water phase and at the same time improves the driving efficiency. During polymer flooding simulation, many factors must be taken into account for the construction of mathematical model, such as inaccessible pore volume, polymer shear thinning effect, polymer adsorption, relative permeability reduction factors, etc. All simulations were done with black oil model with polymer option in ECLIPSE. Simulation results for a theoretical river channel reservoir with serious permeability heterogeneity and heavy oil, and simulation results for practical reservoir Ng21, both have shown that polymer flooding is a feasible method for IOR. For reservoir Ng21, with polymer slug size of 0.235 PV, polymer concentration at 1.5 kg/m3, the final oil recovery after polymer flooding could reach 12.8%, the enhanced oil recovery is about 5%. If only the developable oil reserve being taken into account, the final oil recovery is about 34%, and enhanced oil recovery from polymer flooding is more than 12%. For such heavy oil river channel reservoir to reach such a final oil recovery, it could be concluded as a great success. Since there are still many such oil reservoirs in Shengli Oilfields Area, polymer flooding will be of great importance for improving oil recovery in this area in the near future.

Das Ziel der Arbeit bestand darin, ein verbessertes Verfahren zur Ausbildung einer Polyurethanschicht mit poröser Kapillarstruktur zu erarbeiten. Die Fällung (Koagulation) einer Polyurethanlösung erfolgt durch kontrollierte Freisetzung von Fällmittel aus einem zugesetzten, thermisch sensiblen und porös umhüllten Hydrogel. Bei Erwärmung auf eine stoffspezifische Temperatur setzt das Hydrogel Wasser frei, das die Fällung initiiert. Gegenüber der Fällung in einem Fällbad erzielt diese Verfahrensweise deutliche Verbesserungen. Die umhüllten Gele wurden mit Hilfe rheologischer, thermoanalytischer und weiterer Untersuchungsmethoden umfassend charakterisiert. Dadurch gelang es, eine Hüllenstruktur auszuwählen, die den spontanen Austausch von Löse- und Fällmittel verhindert und gleichzeitig die Wasserfreisetzung gewährleistet.

One of the most important factors for a successful performance of a load-bearing implant for hard tissue replacement is its mechanical compatibility with human bone. That implies that the stiffness should be close to that of a bone and the strength of the implant material must be high enough to bear the load applied under physiological conditions. The Young´s modulus of most of the commonly used biomedical alloys is larger than that of a human bone (around 100 GPa for cp Ti, 112 GPa for Ti-6Al-4V versus 10-30 GPa for cortical human bone). A stiffness reduction of Ti alloys can be achieved by two approaches: (i) selecting an alloy composition with low Young´s modulus i.e. a ß-type alloy and (ii) introducing a reasonable amount of porosity. The composition of Ti-40Nb was chosen for the present work, as it allows to stabilize a single ß-type phase with low Young´s modulus at room temperature. The samples were produced by a powder metallurgical approach. The Ti-40Nb alloy powder was obtained by ball-milling of elemental Ti and Nb powders. The influence of the milling parameters on the oxygen content in the milled powder was studied. Powders with a lowest oxygen content of 0.4 wt.-% had an almost single ß-type phase after heat treatment and quenching. Porous samples were produced by loose powder sintering, hot-pressing and sintering with NaCl as a space-holder. The influence of the different processing routes and different porosities on the mechanical properties of the alloy was studied. The samples produced by loose powder sintering had mechanical properties close to those of cortical human bone (Young´s modulus 20 GPa, compression strength 150 MPa) and the samples produced by loose sintering with space-holder materials had mechanical properties close to those of human spongy bone (Young´s modulus 0.2-2 GPa, compression strength 50 MPa). Porous Ti-40Nb samples were coated with bone-like hydroxyapatite by an electrochemical deposition method in order to improve the osseointegration of the samples with bone tissue. The experiments were carried out with samples produced by different routes and a correlation between the deposition parameters and the morphology of the hydroxyapatite needles was found.